Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Лёгкие бетоны с гранулированным органическим заполнителем, направленно изменяемой структурой и микроармирующими минеральными добавками

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Хританков В.Ф.

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» Министерства сельского хозяйства РФ

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Пичугин Анатолий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Верещагин Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор

Плетнев Петр Михайлович

доктор технических наук, профессор

Хозин Вадим Григорьевич

Ведущая организация: Томский государственный архитектурно-строительный университет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Практическая значимость результатов работы.

1. Разработаны составы бетона и технология производства легкобетонных стен на крупных органических заполнителях с высокими коэффициентами поглощения шума в широком диапазоне звуковых частот и повышенными физико-механическими показателями.

2. Разработана методика расчетной и экспериментальной оценки шумопоглощающих характеристик легких бетонов на органических заполнителях, что позволяет проектировать и изготавливать материалы с заданной структурой и шумопоглощающими свойствами.

3. Предложены способы гранулирования торфа и другого растительного сырья с защитой поверхности его частиц гипсоизвестковой композицией или полимерсиликатным составом, обеспечивающие использование органических материалов в качестве пористого заполнителя легких бетонов.

4. Предложены составы легких бетонов с гранулированным торфозаполнителем и другими растительными материалами, имеющие прочность при сжатии 2,5-5,7 МПа, коэффициент теплопроводности 0,14-0,31 Вт/(м^.оС) и повышенные звукопоглощающие свойства за счет формирования направленно изменяемой структуры.

5. Разработаны монолитная и заводская технологии производства легкобетонных стен и изделий с гранулированным органическим заполнителем. Подготовлены и утверждены временные технические условия ВТУ-1950-310-003-06, ВТУ-1950-310-004-08 «Блоки стеновые из легких бетонов с направленно изменяемой пористой структурой», а также «Рекомендации по изготовлению легкого бетона на гранулированном торфозаполнителе и органическом сырье с улучшенными теплофизическими и акустическими показателями».

6. Разработанные материалы и технологические процессы внедрены при строительстве жилых и хозяйственных зданий в Куйбышевском, Чановском, Барабинском районах Новосибирской области. Многолетнее наблюдение за состоянием эксплуатируемых объектов показало высокие эксплутационные показатели легкого бетона с гранулированным органическим заполнителем при формировании направленно изменяемой структуры, а также высокую экономическую эффективность от их использования.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы докладывались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных, межвузовских и внутривузовских научных конференциях, семинарах, совещаниях в г.г. Новосибирске, Барнауле, Владивостоке, Москве, Челябинске, Бийске, Красноярске, Казани, Томске, Одессе, Полтаве, Харькове, Тарту и других городах России, стран СНГ и Прибалтики с 1990 по 2009 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано свыше шестидесяти научных работ, включая три монографии и патенты на изобретения, в том числе в реферируемых и рекомендованных ВАК России изданиях с внешним рецензированием - 10 статей.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов по работе и приложений; содержит 278 страниц текста, 54 рисунка, 43 таблицы и список литературы из 267 наименований.

Автор защищает:

- теоретическое и экспериментальное обоснование по получению легких бетонов на органическом крупном заполнителе с направленно изменяемой структурой, эффективно снижающих шумы во всем диапазоне звуковых частот;

- взаимосвязь между технологическими особенностями процесса гранулирования торфа и другого растительного сырья для их использования в качестве крупного заполнителя легких бетонов и структурными параметрами, позволяющими регулировать звукопоглощающие свойства легких бетонов;

- методы нанесения и составы защитных покрытий на гранулах органического заполнителя, обеспечивающие нейтрализацию отрицательного действия на процесс гидратации цемента органических соединений, выделяющихся из торфа и других материалов растительного происхождения;

- результаты исследования упрочняющего действия микроармирующих дисперсных минеральных добавок (волластонит, диопсид) в составе композиционных материалов, содержащих вяжущие вещества;

- технологические схемы изготовления легких бетонов на основе торфа и других органических заполнителей (представляющих собой отходы производства и местное сырье), обладающих повышенным звукопоглощением;

- методы расчета звукопоглощающей способности легких крупнопористых бетонов с гранулированным органическим крупным заполнителем с направленно изменяемой структурой и результаты определения свойств легких бетонов на основе торфа и других органических заполнителей;

- результаты производственного опробования и внедрения разработанных составов по заводской и монолитной технологиям, технико-экономическую оценку разработанной технологии легких бетонов с улучшенными акустическими свойствами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проведенного исследования, сформулированы цель и задачи работы, приведены научная новизна и практическая значимость выполненных исследований, а также перечислены основные положения и результаты, выносимые автором на защиту.

Первая глава (Анализ состояния вопроса и проблемы исследований) посвящена анализу роли акустических материалов в решении проблемы борьбы с шумом и в создании благоприятных санитарно-гигиенических условий в жилых и общественных зданиях.

Звукопоглощающие материалы находят применение в большинстве случаев защиты от шума. Существенную роль играет структурный фактор материалов, неразрывно связанный с его пористостью. Сообщающаяся пористость чрезвычайно важна для процесса поглощения звука. Обобщая экспериментальные данные по звукопоглощению акустических материалов различной структуры, следует отметить, что наиболее эффективными для целей звукопоглощения являются материалы волокнистой структуры. При проектировании новых видов материалов, важной функцией которых является гашение шума разнополосных частот, целесообразно в качестве основного сырья использовать тонкодисперсные волокна. Форма пор оказывает заметное влияние на звукопоглощение особенно при низкой пористости. Однако и эти материалы обладают низкой поглощающей способностью звуковых волн на низких частотах (от 16 до 500 Гц).

Значительные трудности в технологии легких бетонов с органическими заполнителями связаны со стабилизацией цементной связки, обеспечением процесса единой работы её с заполнителями. В качестве нейтрализаторов редуцирующих веществ применяют целый ряд соединений: жидкое стекло, лакокрасочные составы и полимерные смолы, а также отходы химических производств, содержащие пленкообразующие вещества.

В настоящее время не уделяется должного внимания научным исследованиям и практическому использованию органоминеральных бетонов, многообразные специфические свойства которых позволяют существенно расширить их эффективное применение. Необходимы работы по использованию камыша, торфа, соломы, опилок в технологии строительных материалов в связи со значительным объемом выхода этих сырьевых ресурсов как побочного продукта деревообработки и сельского хозяйства и необходимостью решения экологических проблем их использования. Получение легких бетонов для стен зданий, работающих в суровых климатических условиях, особенно актуально для сибирских и северных территорий. На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава (Материалы для создания звукопоглощающего легкого бетона и методы исследования его свойств) посвящена методологии исследования, характеристике сырья и материалов, выбору аналитической аппаратуры для оценки их структуры и свойств. Для исследования происходящих процессов на микро- и макроуровнях использовались физико-химические методы и математическое моделирование структур и процессов. В опытах применялись следующие сырьевые материалы.

Торф представляет собой почвенную массу с достаточно высокими теплоизолирующими свойствами, низкой плотностью (менее 120 - 180 кг/мі), малой теплопроводностью, доступностью и технологичностью при переработке. Прямое использование торфа ограничено большим количеством редуцирующих веществ и высокой кислотностью. По компонентному составу органическая часть торфа представляет собой набор следующих веществ (% мас.): лигнин - 5… 20; гуминовые кислоты - 12…15; целлюлоза - 4…10; битумы - 2…8; водорастворимые компоненты - 1…5. Используемый в исследованиях торф, расположенный на территории Новосибирской области, является низинным. К этому типу относится более 61 % его месторождений.

Содержание легкогидролизуемых соединений в торфе составляет от 20 до 40 %, что ограничивает его прямое использование в конгломератных материалах на минеральных связках. За счет высокой пористости коэффициент теплопроводности торфа имеет значения л = 0,05-0,08 Вт/(м•°С), что соответствует уровню высокопористых минеральных материалов и пенопластов. Отличительной способностью торфа является его кислотность, при этом pH водной вытяжки составляет от 2,8 до 4,5 для верхового торфа и доходит до 6,5 для низинного.

Солома и камыш. В качестве крупного заполнителя для легких органоминеральных бетонов использовались также солома и камыш, которые подвергались измельчению, грануляции и последующей обработке пленкообразующими композициями. Органическая часть растительного сырья представлена целлюлозой, лигнином, пентозанами и гексозанами и большим количеством растворимых в воде веществ, относящихся к экстрактивным легко гидролизируемым компонентам. В среднем, растительное сырье имело следующие показатели: насыпная плотность - 125…186 кг/мі; теплопроводность в сухом состоянии - 0,042…0,058 Вт/(м•°С); гигроскопичность - 18…32 %; влажность - 12…27 %. Важной характеристикой пористого заполнителя для легких бетонов является водопоглощение, значение которого достигала 40-50 %. Кислотность (рН) водной вытяжки растительных отходов, определенная на рН-метре марки ЛПУ-01, составляла от 3,1 до 5,4.

Используемый речной кварцевый песок добывался в песчаных карьерах реки Обь. Минеральный и гранулометрический состав песков данных месторождений соответствовал требованиям ГОСТ 8735-88 "Песок для строительных работ. Методы испытаний" и ГОСТ 8736-85 "Песок для строительных работ. Технические условия". Он отнесен к мелким пескам с модулем крупности 0,9 - 1,1. Кроме речного песка в качестве эталона при определении активности цемента был использован чистый кварцевый песок Вольского месторождения.

Цемент. В исследованиях был использован портландцемент марки 400 ОАО «Искитимцемент». Для некоторых составов был использован портландцемент марки 400 Топкинского цементного завода. Испытания, проведенные по ГОСТ 310.1-81…310.4-81 и ГОСТ 5382-91, подтвердили его физико-механические и химические показатели, и соответствие требованиям ГОСТ 10178-85* "Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия".

В качестве минеральных добавок в защитные композиции для микроармирования цементного камня в работе использованы: волластонит Алтайского месторождения, диопсид Слюдянского месторождения и известняковая мука, являющаяся отходом производства. Их химический состав приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав минеральных добавок, мас.%

Средний размер частиц этих минеральных добавок, определенный методом лазерной гранулометрии, составлял: для волластонита (в-CaSiO₃), диопсида (CaO•MgO•2SiO₂) и известняковой муки (CaСO₃), соответственно, мкм: 28,8; 38,6; 8,7, а удельная суммарная поверхность, см²/г: 3550; 2010; 6410.

Жидкое стекло. В экспериментах использовано натриевое жидкое стекло, соответствующее ГОСТ 13078-81 и имеющее следующие качественные характеристики: плотность, кг/м³ - 1450 …1510; массовая доля SiO₂, % - 25,1…35,6; массовая доля Na₂O, % - 2,6…3,0.

Латекс. Для защиты гранулированного заполнителя в качестве пленкообразующей композиции был использован бутадиен-стирольный латекс СК-65ГП, соответствующий требованиям ГОСТ 10564-75. Использованный в исследованиях латекс СКС-65ГП, имеющий в своем составе 35 % (мас.) бутадиена и 65 % (мас.) стирола, представлял композицию концентрации 47 % с вязкостью по вискозиметру ВЗ-4 - 12 и рН = 11.

Фенолоформальдегидная смола СФЖ - 3016 по ГОСТ 20907-75 имела плотность 1110-1140 кг/мі и вязкость 10-15 с. К недостаткам данной смолы относится ее токсичность, хотя её физико-механические и технологические параметры вполне удовлетворительны.

В составе защитных покрытий гранул из торфа, соломы и камыша использовались также: эпоксидно-диановый олигомер ЭД-20 (ЭД-16); акриловые смолы; дисперсия ПВА ; битумная эмульсия, состоящая из двух несмешивающихся жидкостей: воды и битума, обладающая пониженной вязкостью (20-40 с) и достаточно высокой технологичностью в широком интервале положительных температур (от +3 °С до 40-50 °С). Битумная эмульсия соответствовала техническим условиям и содержала (% мас.): органического вещества - 38,0…50,0; эмульгатора - 5,4…9,8; воды - 42,0…52,0.

Кроме вышеперечисленных компонентов в исследованиях использовались такие минеральные вяжущие, как строительный гипс и известь, из которых готовились композиции при различном соотношении для покрытия гранул из торфа и растительного сырья.

Изменение структуры материалов изучали ренгенофазовым методом (ДРОН-3М), дифференциально-термическим анализом (дериватограф ОД-102 системы Ф. Паулик, И. Паулик, Л. Эрдеи). Кроме того в исследованиях использовались такие методы, как: порометрия, капиллярная пропитка, анализ реологических характеристик защитных композиций, лазерная гранулометрия, микроструктурный анализ. Для определения шумопоглощающей способности легкого бетона на гранулированном торфе и других органических заполнителях была специально спроектирована и изготовлена акустическая лабораторная установка, в которую входили осциллограф с цифровым считывающим устройством и звуковой генератор. Исследования акустических свойств осуществлялись в соответствии с установленными нормативными требованиями международного стандарта ИСО 10847 «Акустика», ГОСТ 20444-85 «Шум. Методы определения шумовой характеристики», СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки», санитарными и строительными нормами и правилами. Прочностные, деформационные и эксплуатационные параметры легкого бетона определяли стандартными методами. Достоверность результатов экспериментов обеспечивалась высокой разрешающей способностью аналитической аппаратуры, проверкой на соответствие действующим положениям, статистическим анализом полученных данных.

В третьей главе (Обеспечение качества гранулированного пористого заполнителя для легкого бетона) приводятся результаты исследований по получению гранулированного крупного заполнителя на основе торфа и другого растительного сырья. Приведены режимы гранулирования и их влияние на свойства гранул; определены оптимальные параметры влажности, температуры и давления для получения гранул требуемой насыпной массы, прочности и водопоглощения. Для оценки работы гранул торфа с нанесенной на них защитной оболочкой проведен анализ действующих на них нагрузок при изготовлении и эксплуатации легкого бетона (рис. 1).

Рис. 1. Схема действия нагрузок на защитную оболочку гранулы торфа: 1 - внутреннее давление; 2 - давление набухания; 3 - верхнее давление; 4 - зона пустоты; 5 - боковое давление от других гранул; 6 - нижнее давление

От неравномерного изменения деформаций и температуры в различных участках крупного заполнителя в стенке защитной оболочки возникают изгибающие моменты

, (1)

где б_t = 1^.10^-5, 1/град - коэффициент линейного расширения бетона; t_н и t_В - температура соответственно на различных участках гранулы или наружной и внутренней поверхности защитной оболочки; E_д - модуль деформации; h - толщина оболочки.

Теоретический анализ показал необходимость повышения прочности защитной оболочки. Введение в её состав волластонита в количестве 2-3 % по массе позволило увеличить прочность при растяжении в 2-3 раза.

Поскольку ни один из испытываемых защитных составов (табл. 2) не обеспечивал достаточной защиты от редуцирующих веществ, были исследованы бинарные составы, которые создавали более прочную оболочку при минимальных расходах композиций (рис. 2).

Таблица 2

Свойства гранул торфозаполнителя с различной защитой

Рис. 2. Изменение вязкости (1) гипсоизвестковой композиции и её расхода (2) при защите гранулированного заполнителя

К достоинствам выбранных составов можно отнести возможность разбавления данных композиций водой, что обеспечивало заданную минимальную вязкость.

Оптимальными являются следующие составы, обеспечивающие предотвращение отрицательного действия выделяемых из гранул крупного органического заполнителя редуцирующих веществ: гипсоизвестковая композиция при соотношении гипса и извести (% мас.) 90-75 : 10-25 или полимерсиликатная композиция из натриевого жидкого стекла и ПВА при соотношении (% мас.) 60-75 : 25-40.

грануляция торф легкий бетон

А Б

Ширина зоны, мм

Рис. 3. Распределение микротвердости в контактной зоне цементного камня на границе с торфозаполнителем (А) и микроструктура контактной зоны (Б), х 300: 1 - минеральный наполнитель; 2 - гипсоизвестковая защита гранул; 3 - полимерная защита гранул; 4 - без защиты

Таким образом, были определены защитные составы, эффективность которых была проверена на образцах органического крупного заполнителя и цементного камня в контактной зоне. Результаты распределения микротвердости в контактной зоне «цементный камень - гранула торфа с защитным покрытием» для различных составов приведены на рис. 3. Определены теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства бетонов различных составов (табл. 3) на гранулированном заполнителе из торфа и растительного сырья в широком диапазоне звуковых частот (табл. 4, 5).

Таблица 3

Состав легкого бетона с торфозаполнителем

Таблица 4

Показатели свойств легкого бетона по фракциям

С учетом полученных свойств гранулированного пористого заполнителя из торфа и другого растительного сырья проведено математическое моделирование оптимальных характеристик материала. Получены уравнения для волновых параметров, совокупность которых представляет математическую модель:

? W_a = W_a = 1 + Q при f ? f_cr , (3)

? W_a = W_a = q/H при f ? f_cr , (4)

?W_i = W_i = QH/(1+A), (5)

?б = б = k• QH, (6)

? в = в = k[1+QH(1+B)]. (7)

В качестве акустических параметров материала приняты: волновое сопротивление W и постоянная распространения г (1/м). Эти величины состоят из двух элементов: W = W_a - iW_t, ; здесь W_a, W_i - действительная и мнимая составляющие величины W; г = б + iв (1/м), где б - показатель затухания амплитуды звукового давления; в - фазовая постоянная. Дополнительно в модель введены следующие показатели: пористость Н; размер пор D; структурная характеристика Q; коэффициент вязкости µ; скорость звука c_о; извилистость пор q; эмпирические коэффициенты А и В и безразмерный параметр, характеризующий структурные особенности материала: М = 10^-3 с_d / с_о, где с_о - плотность воздуха.

Таблица 5

Звукопоглощающая способность слоев толщиной Д гранулированного органического заполнителя легкого бетона

Полученные результаты позволили определить требования к структуре легкого бетона с органическим гранулированным заполнителем, обеспечивающей максимальное звукопоглощение.

Формирование легких бетонов с направленно изменяемой структурой и определенным расположением крупного заполнителя позволяет тепловому потоку проходить без явно выраженного перепада теплофизических характеристик (коэффициента теплопроводности), что способствует меньшему конденсатообразованию и разрушению стеновых материалов в суровых климатических условиях. Практическая реализация такого стенового материала требует решения комплекса проблем, в т.ч. создания крупнопористого материала с применением легкого органического заполнителя при минимальном содержании цементной матрицы. При этом последняя должна обладать достаточной адгезией к заполнителю, водо- и морозостойкостью, низкими показателями усадки и высокой трещиностойкостью.

В соответствии с этим (глава 4 Исследование составов и свойств легкого крупнопористого бетона с повышенными звукопоглощающими характеристиками) были проведены комплексные исследования составов и свойств легкого крупнопористого бетона на гранулированном органическом заполнителе. С учетом представленной выше математической модели была отработана методика получения легкого бетона с направленно изменяемой структурой. Теоретическая кривая среднего размера гранул для оптимального технического решения представлена на рис. 4.

Поскольку на практике трудно реализовать такую структуру, была принята экспериментальная ступенчатая кривая, приближенная к теоретической.

Для получения легкого бетона с плотностью до 450-500 кг/м³ и коэффициентом теплопроводности менее 0,25-0,30 Вт/(м•°С) необходимо введение в его состав не менее 40-60 % по массе гранулированного торфа или растительного сырья. Оптимальное соотношение количества портландцемента и гранулированного торфо- или органического заполнителя в легких бетонах составляет 1,0 : 0,6 - 0,8 с учетом гранулометрического состава заполнителя. Растительные материалы отрицательно влияют на формирование цементной матрицы, резко снижая прочность цементного камня уже при содержании органического материала более 10 %, поэтому для использования торфа, соломы, камыша в качестве крупного заполнителя легких бетонов необходима нейтрализация действия выделяющихся из него редуцирующих веществ и создание на поверхности частиц защитных покрытий.

Рис. 4. Распределение по толщине изделия среднего размера гранул в легком бетоне на гранулированном торфозаполнителе (А) и фактическая структура легкого бетона (Б): 1 - расчетно-теоретическая кривая; 2 - экспериментальное распределение

Установлена возможность регулирования звукопоглощающих свойств легкого бетона за счет формирования структуры материала с направленно изменяемыми размерами гранул органического заполнителя и оптимизации соотношения волокнистых составляющих в органическом крупном заполнителе. Такой способ формирования крупнопористого бетона с крупным заполнителем из гранулированного торфа, камыша или соломы позволяет в 2-3 раза повысить звукопоглощающую способность материала и приблизить эти показатели к одному из лучших материалов - войлоку. Коэффициент звукопоглощения легкого бетона регулируется путем изменения гранулометрического состава крупного пористого заполнителя, его пористости, зависящей от степени уплотнения и вида растительного сырья. Стены зданий, возведенные из легкого бетона с гранулированными растительными материалами, сформированными по принципу направленно изменяемой структуры, теплее обычных легкобетонных стен в среднем на 5,0-5,5 ^оС, а влажность материала на внутренней поверхности ограждения ниже в 1,3-1,4 раза, что свидетельствует об осушающем действии природного органического сырья в бетоне и улучшении микроклимата в помещениях в целом.

Пятая глава (Особенности формирования структуры легкого бетона с торфозаполнителем) содержит результаты комплексных исследований органоминерального материала. При звукопоглощении легким бетоном волн различной частоты важным фактором, определяющим шумопоглощение, является пористая структура цементной оболочки (матрицы) вокруг крупного органического заполнителя.

Были проведены исследования свойств вяжущих на основе гипса с введением упрочняющих структуру микроармирующих минеральных добавок, содержание которых составляло, в мас.% : волластонит - 20; 30; 40 (составы 1, 2, 3); диопсид 20; 30; 40 (составы 4, 5, 6); известняковая мука - 20; 30; 40 (составы 7, 8, 9); волластонит - 15, диопсид - 15 (состав 11); контрольный состав - 10 (табл. 6). При возрастании количества вводимой добавки все большая доля воды оказывается химически несвязанной и, по мере ее испарения при сушке изделий наблюдается увеличение их пористости.

Таблица 6

Пористость и водопоглощение исследованных составов

Введение добавок способствует перераспределению внутренних напряжений в композиционном материале. Большая их часть будет приходиться на вводимые добавки, как имеющие более высокое значение модуля упругости. Вместе с тем, введение добавок в рассматриваемом случае сопровождается увеличением пористости образцов, что является положительным для общего процесса звукопоглощения легким крупнопористым бетоном на гранулированном растительном заполнителе.

Учитывая разнородность компонентов, с целью обеспечения стабильных качественных показателей легких бетонов с добавками, были проведены исследования взаимодействия в системе: «цементный камень - полимерсиликатная (гипсоизвестковая) защитная композиция - органический пористый заполнитель». Были рассмотрены различные зоны сопряжения этих компонентов.

Результаты исследований контактных зон легкого бетона позволили сделать вывод о том, что при использовании рассмотренного количества исследованных минеральных добавок (волластонит, диопсид, известняк) дополнительных новообразований в цементном камне практически не обнаружено. При контактировании цемента с растительным сырьем последнее отрицательно влияет за счет редуцирующих веществ на гидратацию цементного вяжущего. Консервация гранул торфозаполнителя полимерсиликатными композициями или нанесение защитного гипсоизвесткового состава обеспечивает нейтрализацию действия редуцирующих веществ на поверхности гранулированного заполнителя, что создает благоприятные условия для твердения цементного вяжущего. При введении волластонита или диопсида отмечено их усиливающее влияние на структуру даже при малом количестве. Данный факт использован с целью повышения эффективности работы минерального вяжущего как в составе матрицы, так и для усиления гипсоизвестковой или полимерсиликатной композиции, используемой для защиты торфяных или растительных гранул.

При применении в качестве защитных покрытий гранулированного торфозаполнителя комбинированных композиций из гипса и извести наблюдается эффект упрочнения микроструктуры в контактной зоне гранулы из растительного сырья и цементной матрицы (рис. 3).

Рентгенофазовый и термографический анализы образцов из отдельных компонентов и различных сочетаний цемента с заполнителями позволили установить особенности их фазового состава. Анализ кривых ДТА показывает, что основные эффекты соответствуют разложению Са(OH)₂ - 500-530 °С и вторичного карбоната кальция в интервале температур 790-820 °С. На рентгенограммах цементного камня отмечено наличие аналитического рефлекса Са(ОН)₂, (2,61• 10^-10 м), а также рефлексов гидросиликатов кальция (рефлексы · 10^-10 м : 3,05; 2,97; 2,85; 2,40; 1,83 и др.). Важным при изучении контактной зоны гранул заполнителя с цементной матрицей является вопрос взаимодействия гипсоизвесткового защитно-нейтрализующего покрытия с цементным камнем в присутствии торфа или другого органического сырья.

Рис. 5. Микрофотографии контактных зон крупного органического заполнителя с цементной матрицей в крупнопористом легком бетоне: 1 - гранула из соломы; 2 - гранула из торфа; 3 - гранула торфа, защищенная полимерным покрытием; 4 - то же, с защитой гипсоизвестковым составом, х 3 00.

Рис. 6. Микроструктура цементной матрицы без волластонита (1) и с волластонитом (2) в легком бетоне, х 440

Установлено, что микроструктура в зоне данного контакта отличается большей плотностью и меньшей пористостью ввиду проявляемого торфяной гранулой двойного эффекта - впитывания влаги на этапе перемешивания и формования и самоуплотнения за счет внутреннего давления набухания торфозаполнителя после полного массонасыщения.

Данное явление следует, видимо, связывать с более полной гидратацией цемента при благоприятных условиях кристаллообразования, что подтверждается уменьшением пористости цементного камня. На рис. 5 и 6 представлены микрофотографии гранул из торфа и растительного сырья в контактных зонах легкого крупнопористого бетона.

Изучение микроструктуры и свойств цементного камня в контактной зоне с гранулированным органическим заполнителем показало, что выявленный двойной эффект влагопоглощения и внутреннего самоуплотнения позволяет обеспечивать благоприятные условия твердения минерального вяжущего не только в контактной зоне, но и по всему объему.

В главе 6 (Опытно-производственное внедрение легких бетонов с повышенной звукопоглощающей способностью и технико-экономическая эффективность их применения) рассмотрена технологическая схема производства гранулированного заполнителя из торфа и другого растительного сырья в соответствии с выработанными рецептурами и оптимальными составами.

Осуществлен подбор стандартного и нестандартного оборудования и приспособлений. Разработано специальное устройство для нанесения защитного покрытия гранул из растительного сырья для легкого бетона, включающее съемные двойные мелкопористые слои, прижимные валики, привод, емкость с пропиточной композицией и другие элементы.

Технологическая схема производства гранулированного крупного заполнителя из торфа и другого растительного сырья включает следующие процессы и операции: разработку торфа в карьере и буртование для осушения и проветривания; доставку к месту переработки; классификацию и оценку качества по существующим нормативным параметрам (влажность, плотность, степень разложения, наличие посторонних включений, зольность и т.д.). Далее органическое сырье подвергается дроблению для получения однородной массы, обеспечивающей равномерное уплотнение в грануляторе. Во избежание негативных проявлений (гнили, запахов, разложения и т.п.) сырье обрабатывается известью или мелом для дезинфекции. После обработки паром масса поступает на грануляцию. При этом за счет пара обеспечивается оптимальная влажность формуемой массы. Учитывая тот факт, что были разработаны два варианта защитных покрытий - гипсоизвестковое и полимерсиликатное - дальнейший путь движения гранул проходил по этим схемам, т.е. осуществлялось нанесение защитной оболочки одной из указанных выше композиций. Изготовленные по данной технологии гранулы из растительного сырья подавались на склад готовой продукции или в бункер крупного пористого заполнителя цеха по производству легкобетонных изделий (блоков). На рис. 7 представлена технологическая схема производства крупноразмерных блоков из гранулированного торфозаполнителя.

Для изготовления легкого бетона с направленно изменяемой структурой за счет последовательного изменения гранулометрического состава необходимо учесть следующие исходные параметры и показатели: средние расходы составляющих; выход легкого бетона из исходной бетонной смеси; минимальные расходы цементного теста для достижения высокой прочности сцепления отдельных гранул; необходимость получения сквозной пористости и регламентируемой плотности для обеспечения теплофизических и акустических характеристик ограждающих конструкций и др. Все эти вопросы были решены следующим образом.

1. Были рассмотрены различные варианты создания направленно изменяемой структуры, что обеспечивало высокую шумопоглощающую способность материала.

2. Были предложены однофракционные смеси крупнопористого бетона, из которых формировалась ограждающая конструкция.

3. Разработана специальная технологическая оснастка для бетонирования такой конструкции ограждения из нескольких слоев: внутренний (центральный) слой - крупнопористый бетон из гранулированного заполнителя фракции 20-40 мм; средний слой - крупнопористый бетон из гранулированного заполнителя фракции 10-20 мм; наружный (периферийный) слой - крупнопористый бетон из гранулированного заполнителя фракции 5-10 мм. После формования вся конструкция обрабатывалась затирочным отделочным составом на пористом мелком заполнителе, чтобы исключить неровности поверхности.

Рис. 7. Технологическая схема производства легкобетонных изделий с направленно изменяемой структурой на гранулированном крупном заполнителе при работе нескольких смесительных устройств

При этом укладываемый легкий бетон имел осадку стандартного конуса в пределах 2-7 см. Назначение оптимального расхода воды для каждого состава легкого бетона производилось экспериментально в зависимости от вида крупного заполнителя и его водопотребности. В табл. 7 приведены составы легкого бетона с гранулированным заполнителем. Дозировка цемента и воды производилась по массе, остальных компонентов - по объему. Приготовление легкобетонной смеси осуществлялось в стандартных растворо- и бетономешалках для каждого фракционного состава отдельно.

Таблица 7

Составы бетона с торфозаполнителем

Таблица 8

Коэффициенты звукопоглощения стен из легких бетонов с направленно изменяемой пористой структурой (НИПС) на разных частотах

Изготовленные по разработанной технологии и рецептуре легкобетонные блоки с крупным структурообразующим заполнителем из гранулированного торфа (табл.7 и 8) были использованы для возведения стен двухэтажного спального корпуса на базе отдыха Куйбышевского завода железобетонных изделий, жилых одно- и двухквартирных домов и объектов производственного назначения в Куйбышевском, Чановском и Барабинском районах Новосибирской области. Сравнительный анализ качественных показателей стен, выполненных из легких бетонов на гранулированном растительном сырье, показывают их явные преимущества по сравнению с традиционными стеновыми материалами (табл. 8).

Следует отметить повышенную звукопоглощающую способность легкого бетона предлагаемой технологии, способного за счет направленного изменения пористой структуры обеспечить высокий уровень звукового поглощения в широком интервале звуковых частот.

На основе опытно-производственной проверки результатов исследований были разработаны временные технические условия ВТУ 2-07-98. «Блоки легкобетонные с гранулированным торфозаполнителем», рассмотренные и одобренные техническим советом Куйбышевского завода железобетонных изделий (ООО "Металлист") и согласованные с подрядными строительными организациями и предприятиями.

В соответствии с действующими методиками согласно СНиП были выполнены теплотехнические расчеты ограждений из легких бетонов с торфозаполнителем для различных конструктивных и эксплуатационных условий, что нашло свое отражение в «Рекомендациях по изготовлению и применению крупнопористого легкого бетона повышенной звукопоглощающей способности на гранулах из торфа и другого растительного сырья».

После сдачи объектов в эксплуатации на протяжении ряда лет проводилось обследование состояния экспериментальных стен и сравнение их параметров с традиционно применяемыми стенами из обыкновенного глиняного кирпича и золошлакоблоков без пористого крупного заполнителя. Регулярно проводились обследования и оценка звукопоглощающих, теплотехнических, гигиенических и физико-механических показателей легкобетонных стен. Определен экономический эффект от реализации и внедрения разработанных рекомендаций. Показано, что использование легкого крупнопористого бетона на гранулированном заполнителе из торфа или растительных отходов сокращает затраты на возведение стен в 1,5-2,0 раза, уменьшает массу огр...