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

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 = 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/м; 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 (-CaSiO3), диопсида (CaOMgO2SiO2) 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/м 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 t = 1.10-5, 1/град - коэффициент линейного расширения бетона; tн и tВ - температура соответственно на различных участках гранулы или на­ружной и внутренней поверхности защитной оболочки; E - 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

40 55 70 85 100 Гипс, %

----------------------------------------------------

60 45 30 15 0 Известь, %

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.

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:

Q = , (2)

Wa = Wa = 1 + Q при f fcr, (3)

Wa = Wa = q/H при f fcr, (4)

Wi = Wi = QH/(1+A), (5)

= = k QH, (6)

= = k[1+QH(1+B)]. (7)

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

Таблица 5

Звукопоглощающая способность слоев толщиной гранулированного органического заполнителя легкого бетона