Структура и стойкость гиперпрессованных строительных изделий на основе местного сырья Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.972+624.046.4

СТРУКТУРА И СТОЙКОСТЬ ГИПЕРПРЕССОВАННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ

С.Н. Толмачев, доцент, к.т.н., И.Г. Кондратьева, доцент, к.т.н., Р.Л. Коваленко, студент, ХНАДУ

Аннотация. Приведены преимущества гиперпрессования как способа уплотнения изделий и основного фактора обеспечения их эксплуатационных свойств. Показана положительная роль меловых отложений как заполнителя для малоразмерных строительных дорожных и стеновых изделий.

Ключевые слова: известняковые и меловые породы, пластификаторы, цементный бетон, методы уплотнения.

Введение

В последнее десятилетие в Украине и странах СНГ наблюдается значительный рост объемов строительного производства. Это касается в первую очередь гражданского и жилищного строительства, в котором используют новые конструкционные материалы, чаще всего зарубежного производства, или созданные на основе западных технологий. Эти технологии в первую очередь ориентированы на качественное сырье (которое за рубежом проходит предварительную подготовку), которое отсутствует в наших странах. Поэтому слепое копирование технологических переделов, даже при наличии современного оборудования, не всегда приносит желаемый результат. В регионах имеются значительные запасы невостребованного или слабо применяемого местного сырья, которое может быть эффективно использовано (при соответствующем научном сопровождении), в частности при производстве строительных материалов. К таким материалам относятся малоразмерные элементы дорожного строительства, стеновые материалы (кирпич), облицовочные плиты и др.

Существующие многочисленные предприятия по производству изделий подобной номенклатуры, к сожалению, имеют низкую культуру производства, устаревшие технологию и оборудование. Это сказывается на качестве продукции, которая обладает низкой прочностью и слабой устойчиво -стью к действию воздушных и жидких агрессивных сред. Кроме того, такие изделия отличаются низкими эстетическими и художественными качествами. Поэтому, весьма актуальным является повышение эффективности применения местных сырьевых материалов за счет разработки новых

современных технологических приемов и внедрения соответствующего оборудования.

Анализ публикаций

Большинство стеновых строительных материалов изготавливают на основе известковых или цементных вяжущих. В данной статье рассматриваются проблемы создания лицевых стеновых строительных элементов, а также малоразмерных дорожных изделий на основе цементных вяжущих. В качестве местного сырья предлагается использовать широко распространенные, в частности в Донецкой, Луганской, Харьковской областях и АР Крым, известняковые породы и меловые отложения. Использование малопрочных известняков для устройства укрепленных оснований в качестве заполнителя для низкомарочных бетонов, сырья для смежных со строительством отраслей достаточно хорошо изучено [1]. Имеется опыт изготовления на их основе вяжущего или компонента вяжущего, а также заполнителя для кирпича и стеновых блоков на цементном вяжущем. Однако, опыт использования меловых пород ограничивается их применением в качестве микронаполнителя или компонента комплексного вяжущего. Это связано с физико-химическими особенностями меловых известняков, представленных в основном чистым СаСО3. По сравнению с доломитизированными известняками меловые отложения имеют большую растворимость и физико-химическую активность, изделия на их основе менее прочны, водостойки и долговечны.

Наличие больших запасов такого сырья в Украине приводит к выводу о необходимости и перспективности их применения в качестве основного заполнителя для высокопрочных стеновых материалов, а также малоразмерных изделий для

гражданского, дорожного и гидротехнического строительства.

Методы формования бетонных смесей

Основную роль в создании плотного и прочного изделия играет не только процесс перемешивания, при котором достигается равномерность распределения частиц и водного раствора в массиве бетона, но и процесс уплотнения. Методы формования изделий и средства уплотнения бетонной смеси при всем их многообразии можно разделить на несколько групп:

- формование методом литья;

- формование с применением в качестве основно -го средства уплотнения вибрации;

- формование с использованием вибрации в сочетании с давлением (вибропрессование; вибро-штампование; виброгидропрессование; экструзия; вибропрокат);

- формование с принудительным уплотнением бетонной смеси (прессование; укатка (роликовое формование); термосиловое уплотнение; трамбование);

- методы формования, обеспечивающие удаление избыточного количества воды в процессе уплотнения бетонной смеси: вакуумирование; виброва-куумирование; прессвакуумирование; виброваку-умпрессование; фильтрационное прессование.

Из наиболее перспективных методов уплотнения в последние десятилетия можно выделить прессо -вание при давлениях, которые превышают традиционно принятые уровни (20...40 МПа). Этот метод получил название гипер- (по другим источникам супер-) прессования. Изначально его основной целью являлось использование некондиционных или нетрадиционных сырьевых материалов, например низкоактивных и шлакощелочных вяжущих, грунтоцементных блоков и др. Другим направлением использования этого метода явилось создание песпективных материалов со специальными свойствами, например сверхвысокопрочных горячепрессованных изделий, изделий с высокой водонепроницаемостью и т.д. Следует отметить, что в первом случае параметры гиперпрессования назначали исходя из эмпирически полученных результатов, без строгого научного обоснования. Во втором случае давления прессования были настолько велики (300.500 МПа), что не позволили применить разработки в промышленных масштабах. Теоретические исследования в этой области явно недостаточны и требуют дальнейшей серьезной проработки.

В то же время результаты, полученные в различных лабораториях стран СНГ, в том числе Киеве, Москве, Харькове и др., свидетельствуют о следующем:

- в результате уплотнения материалов методом гиперпрессования их свойства принципиально от-

личаются от свойств изделий, уплотненных вибрацией, прессованием и т.д.;

- возможно получение изделий со специальными свойствами (например, коррозионно- или морозостойких, повышенной прочности и долговечности, декоративного назначения);

- гиперпрессование позволяет использовать низкомарочные вяжущие, при этом их расход может быть существенно снижен по сравнению с обычными изделиями;

- метод эффективен при использовании некондиционных заполнителей и побочных продуктов промышленности.

Однако, с научной точки зрения, остаются нерешенными вопросы выбора уровней и продолжительности приложения давления гиперпрессования. Неясно также количественно, где заканчивается обычное прессование или другое воздействие и начинается гиперпрессование. Нет определенности в вопросах взаимосвязи численных значений этого воздействия и характеристик материалов, выбора факторов влияния и параметров оценки эффективности приложения способа формования и др.

Результаты исследований

Исследования, проведенные нами на предварительном этапе, позволили установить, что для каждого материала существуют определенные уровни давления, которые могут быть отнесены к гиперпрессованию. На его эффективность влияют многочисленные факторы, в числе которых можно выделить: гранулометрию и минералогический состав заполнителей, уровень и продолжительность прикладываемого давления; наличие, вид и количество добавок, температурно-влажностные условия гиперпрессования и последующего твердения, ряд других, менее значимых. Применение гиперпрессования для изготовления изделий из меловых пород несущественно снижает водосодержание смесей на цементном вяжущем. Средняя плотность получаемых изделий также мало отличается от этого показателя для прессованных или виброуплотненных бетонов. Однако существенно меняется характер микро- и мезо-структуры, которые становятся более плотными и менее пористыми. По нашему мнению, это происходит из-за перераспределения частиц и их переупаковки. Перераспределение обусловлено применением интенсивных перемешивающих воздействий, а переупаковка - использованием высоких давлений. Поэтому эффективность гиперпрессования в значительной степени зависит от применяемого оборудования, которое должно обеспечивать возможность равномерного распределения всех компонентов смеси, в том числе и водной пленки на частицах. В этом случае значи-

тельно возрастает роль смачивания компонентов водными растворами, а вода при определенных условиях может выступать не только в роли смачивателя и растворителя, но и играть роль вяжущего, через пленки которого осуществляется контакт между частицами. В этом случае необходимо регулировать толщину образующейся пленки, поскольку, согласно теории ДЛФО, существует некая оптимальная толщина пленки жидкости между частицами, при которой между частицами преобладают силы притяжения. Эта толщина достаточно мала, и для сближения частиц до такого расстояния необходимо приложить большое усилие, которое и достигается применением гиперпрессования. Тогда частицы сближаются настолько, что после снятия внешнего давления будут преобладать силы притяжения, способствующие коагуляции и структурообразованию. Усовершенствованная в ХНАДУ методика оценки смачивания мелких заполнителей методом капиллярного подсоса позволяет количественно определять толщину пленки смачивающей жидкости, ее объемное содержание, выбирать наиболее эффективный смачиватель. Для количественной оценки смачивания предложен коэффициент эффективности смачивания. Он является величиной, позволяющей оценить не только объем жидкости, ушедшей на смачивание, т.е. интегральное значение этой характеристики, но и скорость смачивания, величину дифференциальную. Для каждого заполнителя эти показатели различны, что позволяет разделить их на группы по смачиваемости, зависящие от вида смачивателя и характеристик поверхности материала.

Появление в последние годы современных пластификаторов, механизм действия которых до конца не изучен, позволяет получать материалы с прочностью выше, чем прочность стали. Эти материалы являются принципиально новыми композитами, поскольку их гранулометрия представлена частицами не крупнее 1,25-0,63 мм, с большим количеством пылеватых фракций. Это меняет устоявшиеся взгляды на роль пылеватых фракций в структуре таких композитов. Большую роль здесь играет выбор правильного соотношения более крупных и более мелких частиц в составе материала. Необходимая гранулометрия достигается сочетанием предварительно измельченных частиц заполнителя.

Выводы

Меловые отложения являются материалом с низкой твердостью и могут быть измельчены до частиц размером от миллиметра до сотых его долей. При этом затраты на измельчение минимальны. Влияние современных пластификаторов на стадии приготовления и твердения жестких и особо жестких мелкозернистых смесей изучено недостаточно. Поэтому наши исследования предусматривают дальнейшее изучение свойств мелкозернистых гиперпрессованных меловых цементобетонов с современными пластификаторами.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ

Статья поступила в редакцию 14 сентября 2006 г.