CC BY
21УДК 666.7:66.041.3:691.365
А.И. НИЖЕГОРОДОВ, д-р техн. наук (nastromo_irkutsk@mail.ru)
Иркутский национальный исследовательский технический университет (664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83)
Устойчивость уплотненных вермикулитовых массивов в трехслойных стенах в критических условиях
Рассматриваются свойства вспученного вермикулита - прочность в цилиндре и угол откоса под внешней нагрузкой как факторы, определяющие устойчивость к усадке уплотненного в стесненных условиях вермикулитового массива при водонасыщении более 300% и действии вибрации. Приводятся результаты натурного эксперимента, показывающие, что предварительно уплотненный на 7-18% массив не усаживается даже в столь критических условиях. Результаты расчетов и данные экспериментов показывают, что при утеплении внутреннего пространства стен уплотненным вермикулитом усадка теплоизоляционного материала исключается почти пятикратным запасом прочности и дополнительным сцеплением материала с поверхностями стен.
Ключевые слова: вермикулит, вермикулитовый массив, прочность в цилиндре, угол откоса, устойчивость к усадке.
Для цитирования: Нижегородов А.И., Устойчивость уплотненных вермикулитовых массивов в трехслойных стенах в критических условиях // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 64-67.
A.I. NIZHEGORODOV, Doctor of Sciences (Engineering) (nastromo_irkutsk@mail.ru)
Irkutsk National Research Technical University (83, Lermontova Street, 664074, Irkutsk, Russian Federation)
Stability of Compacted Vermiculite Masses in Three-Layer Walls under Critical Conditions
The article deals with the properties of exfoliated vermiculite: strength in the cylinder and an angle of dip under the external load as determining factors of resistance to shrinkage of the vermiculite mass compacted under constrained conditions when the water saturation is over 300% and the action of vibration. Results of the natural experiment showing that the mass preliminary compacted by 7-18% doesn't shrink even under such critical conditions are presented. The results of calculations and data of experiments show that when warming the inner space of walls with compacted vermiculite, the insulation material shrinkage is excluded by almost fivefold strength reserve and additional adhesion of the material with surfaces of walls.
Keywords: vermiculite, vermiculite mass, strength in cylinder, angle of dip, resistance to shrinkage.
For citation: Nizhegorodov A.I. Stability of compacted vermiculite masses in three-layer walls under critical conditions. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 64-67. (In Russian).
Вспученный вермикулит многофункционален. В большинстве западных стран, а теперь и в России его применяют для производства более ста видов продукции различного назначения [1—7].
Благодаря своей слоисто-пористой структуре он является эффективным теплоизоляционным материалом, хорошим наполнителем для легких бетонов, основным компонентом для изготовления огнезащитных и футе-ровочных плит; его используют для звукоизоляции помещений, при разливке стали, для фильтрации воды, в качестве адсорбента дыма и ядовитых газов, как противорадиационный материал, при сборе разливов нефтепродуктов, для снижения нитратного загрязнения почв [1—7], в природоохранных технологиях, в частности для иммобилизации тяжелых металлов [8, 9] и т. д.
Почти все физические свойства вспученного вермикулита уже давно изучены, но некоторые так и остались вне поля зрения специалистов, занимавшихся вермикулитом. В данной статье рассмотрены те из них, которые влияют на устойчивость объемно-напряженных теплоизоляционных массивов к случайному переувлажнению и действию вибрации. Также обосновываются возможности создания надежных уплотненных вермикулитовых массивов внутри наружных трехслойных стен зданий при действии факторов, способных влиять на их устойчивость к усадке.
Вспученный вермикулит — это сыпучий материал, кажущийся непрочным, чрезмерно мягким, податливым и пластичным, склонным к разрушению при малейшей нагрузке (рис. 1). Поэтому для получения объективных данных была проведена оценка прочности в цилиндре, характерной для всех сыпучих материалов, определены углы откоса при действии на массив внешней нагрузки и стойкость уплотненного массива к вибрации в условиях переувлажнения.
В государственном стандарте ГОСТ 9757—90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые», регла-
ментирующем определение прочности при сдавливании сыпучих пористых материалов в цилиндре, для вермикулита не нашлось места: он слишком непрочный по сравнению с керамзитом или, например, перлитом. До сих пор действующий стандарт ГОСТ 12865—67 «Вермикулит вспученный» также не предусматривает определения прочности.
Но правильно вспученный вермикулит обладает не только прочностью, но и значительной упругостью, поэтому автором еще в 2008 г. были проведены соответствующие эксперименты на образцах вспученных ков-дорского и татарского концентратов (названия видов вермикулита происходят от названий месторождений: Ковдорского в Мурманской области и Татарского, расположенного в Северо-Енисейском районе Красноярского края близ реки Татарки).
Рис. 1. Вспученный вермикулит
64
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2017
Таблица 1
Усилие и деформация вермикулита
F, Н 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Вермикулит татарский, фракция + 0,6-2
Ah, мм 3,1 4,6 6,1 7,6 9,1 10,7 12,4 13,8 15,4 16,7 18,3 19,9
Вермикулит татарский, фракция + 2-4
Ah, мм 3,6 5,2 7 8,9 10,6 12,3 14 15,9 17,6 19,3 21 22,8
Вермикулит ковдорский, фракция + 2-5
Ah, мм 3,9 5,9 7,8 9,6 11,6 13,6 15,1 17,3 19,2 21,1 23 25,1
Вермикулит ковдорский, фракция + 5-7,5
Ah, мм 4,5 6,8 7,1 11 13,8 15,8 18,1 20,3 22,2 24,7 27 29,4
Опыты проводились на специально изготовленном стенде, работавшем как поршень в цилиндре. В табл. 1 приведены значения сжимающего усилия F на поршне и соответствующие им абсолютные значения деформаций Дh проб вермикулита.
Нормальное напряжение при сжатии и относительная деформация массива вермикулита в цилиндре определялись расчетом по формулам:
а = —, £ = —100%, (1)
£ А
где ст — нормальное напряжение, Н/м2; ^ — площадь цилиндра, м2; Дh — абсолютная, м, и относительная е деформация пробы вермикулита, %; h - исходная высота пробы в цилиндре, м.
На рис. 2 показана зависимость нормального напряжения в массиве вермикулита, заключенного в цилиндре, от относительной деформации проб различных видов и фракций материала. В пределах 20% деформации зависимости линейны, что указывает на постоянство модуля упругости вермикулита для одной и той же размерной группы и вида материала.
В табл. 2 приведены значения модуля упругости и нормального напряжения в массиве при его 10 и 20% деформации, которые и называются прочностью в цилиндре.
Модуль упругости рассчитывался по формуле:
Е =
Fh Ahs'
(2)
Полученные данные имеют практическое значение, так как от прочности теплоизоляционной засыпки в замкнутых объемах трехслойных стен зависит степень усадки массива теплоизоляции под собственным весом.
Произведем расчет. Пусть вермикулитовый массив фракции 2—5 мм, имеющий насыпную плотность около 90 кг/м3, после уплотнения на 20% заполняет объем 0,3x3x2,5 (0,3 м — толщина теплоизоляции в стене; 2,5 м — высота между поэтажными рассечками; 3 м — расстояние между соседними диафрагмами внутренней и наружной стен).
Вес уплотненного объема равен: 90х1,2х(0,3х3х2,5) = 243 кгс = 2383,8 Н.
Модуль упругости и
Нормальное напряжение, которое вызовет вес G уплотненного массива на его нижний слой площадью 5 без учета сцепления материала со стенами, будет равно, Н/м2:
G
(3)
а = — = 2383,8/0,9 = 2648,7.
Полученное значение равно 0,0026 МПа, что составляет всего 4,6% от прочности в цилиндре (0,057 МПа) при 20% деформации.
Для других фракций ковдорского и татарского вермикулита напряжение в нижних слоях массива составит соответственно:
—для ковдорского фракции: 5—7,5 мм — 0,0024 МПа (4,8%); —для татарского фракций: 0,6—2 мм — 0,0047 МПа (6,4%);
2-4 мм - 0,0032 МПа (5%).
Как видно, напряжения в уплотненных массивах вермикулита намного меньше его прочности при 20% деформации. Но это для сухого материала с влажностью 4-5%.
В объемно-напряженном состоянии зерна вермикулита проявляют упругие свойства, массив расперт в замкнутом пространстве, его вес создает не только нормальные, но и касательные напряжения: вермикулит «цепляется» за стены за счет сил трения.
Чтобы оценить влияние этих сил, надо определить угол откоса при действии на массив внешней нагрузки.
Углы естественного откоса известны для всех сыпучих материалов, в том числе и для вспученного вермикулита, но только не под внешней нагрузкой. Опыты по определению угла откоса и соответствующих коэффициентов внутреннего трения были проведены автором впервые. Небольшой массив вспученного вермикулита рассыпался в виде конуса, срезалась его верхушка и на образовавшуюся плоскую поверхность устанавливались грузы в виде плоских цилинд-ров. С одной стороны конуса материал аккуратно удалялся лопаткой, чтобы образовался естественный откос, отходящий от края цилиндра. В этом состоянии проводились измерения по которым рассчитывались значения ф и ф . Далее укладывался следующий груз, и после осадки конуса, измерительные и расчетные процедуры повторялись.
В табл. 3 приведены численные данные по результатам опытов с ковдорским вермикулитом фракции 5-7,5 мм.
Таблица 2
прочность в цилиндре
Вермикулит татарский, фракция 0,6-2 мм Вермикулит татарский, фракция 2-4 мм Вермикулит ковдорский, фракция 2-5 мм Вермикулит ковдорский, фракция 5-7,5 мм
Модуль упругости Е, МПа 0,36 0,32 0,29 0,25
Прочность при 10%-й деформации, ст МПа 0,037 0,032 0,028 0,025
Прочность при 20%-й деформации, ст МПа 0,074 0,064 0,057 0,05
научно-технический и производственный журнал
СТ, КН/м2
50
40
30
20
10
Татарский вермикули Фракция +0,6-2 ' Фракция +2-4
Фракция +2-5 Фракция +5-7,5
Ковдорский вермикулит
10
15
20
Рис. 2. Зависимость нормального напряжения в массиве вермикулита от относительной деформации проб различных видов и фракций материала
С увеличением нагрузки /'угол откоса и его тангенс, примерно равный коэффициенту внутреннего трения в материале (/~ tg ф) увеличиваются, а tg ф достигает значения единицы и даже превышает ее. Очевидно, что в уплотненном массиве благодаря слоисто-пористой структуре вермикулита и шероховатости зерен работают еще и силы сцепления.
Эти тенденции имеют место и для других фракций; для мелкозернистых массивов эффект усиливается, и сцепление проявляется несколько более существенно, а татарский и ковдорский вермикулит практически не отличаются ни внутренним трением, ни углом откоса в нагруженном состоянии.
Из табл. 3 следует, что при нормальном напряжении в массиве материала всего 4,41 КПа, коэффициент внутреннего трения больше единицы, и следовательно, массив за счет сцепления будет дополнительно удерживаться от усадки под собственным весом.
Чрезмерное водонасыщение, как и действие вибрации, это эксплуатационные факторы, способные оказывать влияние на устойчивость вермикулитовых массивов к усадке.
Не вдаваясь в детали конструкции стен — отметим, что вермикулит засыпают в пространство стены послойно по 350—400 мм и уплотняют статическими усилиями, осаживая его на 7—18% в зависимости от фракции, не доводя до предельных значений, приведенных в табл. 2. Насыпная плотность вспученного вермикулита в массиве доводится до 110—155 кг/м3. Очевидно, что уплотнение несколько увеличивает коэффициент теплопроводности вермикулита.
На рис. 3 прямыми линиями отображены зависимости коэффициента теплопроводности вспученного вермикулита Л различных фракций при разной степени уплотнения, полученные по результатам опытов. Секущая кривая показывает изменение коэффициента Л в уплотненном состоянии при переходе от мелких фракций к более крупным при соответствующих степенях уплотнения.
Влияние влажности на теплопроводность вермикулита очень существенно и требует отдельного рассмотрения. Но здесь рассматривается вопрос устойчивости массива. При значительном увлажнении вес теплоизоляционного слоя заметно увеличивается, а массив стремится осесть за счет дополнительной массы воды.
Таблица 3
Нагрузка, напряжение и тангенс угла откоса
Усилие нагружения, Н 29,43 44,12 58,86 73,58 88,29
Нормальное напряжение, КПа 1,47 2,16 2,93 3,63 4,41
tg ф 0,8 0,82 0,87 0,96 1,06
ф 39° 00' 39° 23' 41° 08' 42° 00' 44° 22'
X, КН/м2 0,065
0,06
0,055
0,05
10
15
Уплотн. %
Рис. 3. Зависимости коэффициента теплопроводности вспученного вермикулита различных фракций при разной степени уплотнения
Если кладка наружного слоя стены не имеет дефектов, то прямое попадание воды в теплоизоляционный слой исключается. Но можно допустить, что при продолжительных осадках стеновой материал может пропитаться водой, так, что за счет капиллярных эффектов влажность утеплителя также значительно возрастет, возможно, на 15—25%.
Данные, полученные при определении напряжений в уплотненном массиве, позволяют сказать, что такое увлажнение совершенно не критично. Был проведен натурный эксперимент, в котором были созданы критические условия, неприемлемые и невозможные в реальности.
В специально изготовленный макет фрагмента трехслойной стены с размерами межстенового пространства: высота 0,96 м, ширина 0,39 м и толщина 0,18 м послойно, по 0,3 м засыпался вермикулит фракции + 2—5 и уплотнялся с осадкой примерно на 10%. Указанное пространство объемом 0,068 м3 было заполнено уплотненным вермикулитом, масса которого составила 7,3 кг. Далее в уплотненный массив вермикулита было залито 24 л воды и суммарная масса составила 31,3 кг. При этом абсолютная влажность (водопо-глощение) уплотненного вермикулита достигла невозможного значения 329%, но усадки массива не произошло.
Водопоглощение вермикулита, из-за его слоисто-пористой структуры может достигать 400% [2]. Возьмем это критическое значение и сделаем расчет. Пусть вермикули-товый массив фракции 2—5 мм с насыпной плотностью около 90 кг/м3 после уплотнения на 20 % заполняет ранее принятый объем в трехслойной стене 0,3x3x2,5 м.
Вес сухого уплотненного вермикулита равен: 90х1,2х(0,3х3х2,5) = 243 кгс = 2383,8 Н. При максимально возможном водопоглощении 400% его вес увеличится до 11919 Н. Нормальное напряжение, которое вызовет вес G1 уплотненного массива на его нижний слой площадью 5 без учета сцепления материала со стенами, будет равно, Н/м2:
Рис. 4. Фрагмент стены, утепленной татарским вермикулитом фракции + 0,6-2 (2008 г.)
научно-технический и производственный журнал ¡-^ \ \ £
ноябрь 2017 Ы- ЛЛ'-Г
5
0
5
с = = 11919/0,9 = 13243,3. (4)
s
Полученное напряжение равно 0,0132 МПа, что составляет 23,4% от прочности в цилиндре (0,057 МПа) при 20% деформации. Это почти в пять раз меньше. Расчеты для других фракций дают подобные результаты.
Проведенные опыты и расчеты убедительно показывают, что даже предельное водонасыщение не может привести к усадке предварительно уплотненного верми-кулитового массива.
Известно, что вибрация обладает разрушающей способностью, так как снижает силы трения и сцепления между любыми взаимосвязанными элементами, например гайки откручиваются под действием вибрации [10].
Но транспортная вибрация, действующая на здания, — это низкочастотные колебания грунта частотой 2—25 Гц, способные вызывать локальные резонансы тех или иных элементов конструкции. Как и микросейсмика Земли, транспортная вибрация не характеризуется большой разрушительной мощностью.
Другое дело землетрясения. Хотя сейсмические колебания также являются низкочастотными, в их спектрах присутствуют и высокочастотные гармоники, но и их мощность даже на небольших расстояниях от эпицентра ничтожна. Разрушают низкочастотные волны.
Собственные частоты вермикулитовых зерен в уплотненном массиве, обладающих высокой упругостью и очень малой массой, на порядки превышают частоты транспортных и сейсмических возмущений, так что возникновение резонансных разрушающих явлений в верми-кулитовых массивах невозможно.
Рассмотренный выше эксперимент был продолжен. После двухсуточного выдерживания уплотненного массива в переувлажненном состоянии макет фрагмен-
Список литературы
1. Кальянов Н.Н. Вермикулит и изделия из термовермикулита и вермикулитобетона. М.: Стройиздат, 1959. 114 с.
2. Производство и применение вермикулита / Под ред. проф. Н.А. Попова. М. Стройиздат, 1964. 128 с.
3. Подоляк Ф.С. Вермикулит в строительстве. М.: Стройиздат, 1966. 87 с.
4. Вермикулит (производство и применение) Сб. науч. трудов. Челябинск.: УралНИИстромпроект, 1988. 175 с.
5. Хвостенков С.И., Туркин А.Ф. Исследование физико-химических свойств ряда флогопит-вермикулит Ковдорского месторождения //Горнометаллургический институт Кольского ф-ла АН СССР: Сб. науч. трудов. 1966. С. 32-57.
6. Miguel Schuldt. Vermiculture. Theory and practice in agricultural, industrial, and domestic environments. Washington. 2006, p. 217.
7. Edwards С. Arancon, P. Sher-man N. Vermiculture technology Washington: U.S., 2012, p. 623.
8. Кременецкая И.П., Беляевский А.Т., Васильева Т.Н. Аморфизация серпентиновых минералов в технологии получения магнезиально-силикатного реагента для иммобилизации тяжелых металлов // Химия в интересах устойчивого развития. 2010. № 1. С. 41-49.
9. Кременецкая И.П., Корытная О.П., Васильева Т.Н. Реагент для иммобилизации тяжелых металлов из серпентиносодержащих вскрышных пород // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2008 . № 4. С. 33-40.
10. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. / под. ред. В.Н. Челомей М.: Машиностроение. 1981. Т. 4. Вибрационные процессы и машины / Под. ред. Э.Э. Лавендела. 1981. 509 с.
та трехслойной стены, предварительно установленный на деревянном полу, был подвергнут воздействию вибрации. Рядом с ним был установлен незакрепленный промышленный площадочный вибратор ИВ 104-Б, создающий колебания с частотой 50 Гц.
В процессе эксперимента измерения интенсивности вибрации не производились из-за отсутствия соответствующей аппаратуры. Но участники эксперимента не смогли выдержать вибрацию и были вынуждены отойти на несколько шагов. В процессе работы вибратор подпрыгивал и перемещался вблизи испытуемого объекта, но, несмотря на интенсивную тряску в течение 10—12 мин, усадки вермикулита не произошло.
Приведенные результаты расчетов и данные экспериментов показывают, что при утеплении внутреннего пространства стен уплотненным вермикулитом усадка теплоизоляционного материала исключается почти пятикратным запасом прочности и дополнительным сцеплением материала с поверхностями стен. При соблюдении технологии послойного уплотнения в пределах 7, 12 и 18% в зависимости от фракционного состава теплоизоляция трехслойных стен с вермикулитовым утеплителем будет надежно служить весь срок службы дома.
На рис. 4 показан фрагмент специально построенной трехслойной стены, утепленной татарским вермикулитом фракции 0,6—2 мм в 2008 г. Стена выложена из строительного кирпича во входном проеме в цех вермикулита, расположенного на территории деревообрабатывающего комбината строительно-монтажного треста Восточно-Сибирской железной дороги в г. Иркутске.
Все это время вермикулит находится в условиях естественной атмосферной влажности. За эти годы произошло несколько землетрясений. И наконец, само время: прошло уже восемь лет. Нет никаких следов усадки уплотненного массива.
References
1. Kal'ianov N.N. Vermiculite and produces made of thermal vermiculite and vermiculite concrete. Moscow: Stroyizdat. 1959. 114 p.
2. Popov N.A. Production and application of vermiculite. Moscow. Stroyizdat. 1964. 128 p.
3. Podoliak F. Vermiculite in building. Moscow. Stroyizdat. 1966. 87 p.
4. Vermiculite (Production and Application). Сollection of research papers. Chelyabinsk: UralNIIstromproekt. 1988. 175 p.
5. Hvostenkov S.I. Turkin A.F. The research into physico-chemical properties of rows of kovdorski phlogopit-ver-miculite deposit. Kola branch of Institute of Mining and Smelting of Academy of Sciences of the USSR: collection of research papers. 1966, pp. 32—57. (In Russian).
6. Miguel Schuldt. Vermiculture. Theory and practice in agricultural, industrial, and domestic environments. Washington. 2006. 217 p.
7. Edwards С. Vermiculture technology Arancon N., Sherman P. Washington: U.S. 2012. 623 p.
8. Kremenetskaya I.P. Belyaevskiy A.T., Vasilieva T.N. Amorphization of serpentine minerals in the technology of obtaining magnesia-silicate reagent for heavy metal immobilization Khimiya v interesax ustoychivogo razvi-tiya. 2010. No 1, pp. 41-49. (In Russian).
9. Kremenetskaya I.P. Koritnaya O.P. , Vasilieva T.N. Reagent Used to Immobilize Heavy Metals of Overburden Rocks Containing Serpentine. Vodoochistka. Vodo-podgotovka. Vodosnabzheniye. 2008. No. 4, pp. 33-40. (In Russian).
10. Chelomey V.N. Vibration Technique: A Handbook in Six Volumes. Moscow: Mashinostroenie. 1981. Vol. 4. Vibrating processes and machines / ed. by E.E. Lavendel. 1981. 509 p.
научно-технический и производственный журнал
