Введение. В соответствии с современными требованиями по тепловой защите зданий и сооружений необходимо создать эффективный теплозащитный материал с высокими технологическими, физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Особое внимание к этой проблеме уделяется при строительстве в условиях Сибири и Крайнего Севера. Кроме создания самого теплоизоляционного материала важно решение проблемы разработки наиболее эффективной технологии укладки материала с целью обеспечения требуемой теплозащиты строительного объекта и создание комфортной среды проживания человеку.
Выполнение этих требований входит в комплекс мер по энергосбережению и предполагает широкомасштабное производство высокоэффективных и экологически чистых теплоизоляционных стеновых материалов [1].
Реализация теоретических положений и системный подход к решению проблем, сформулированных в рамках геоники, являются методологической основой для создания эффективных строительных композитов. Разработка новых инновационных композиционных материалов для ограждающих конструкций зданий и сооружений, обладающих улучшенными теплотехническими параметрами, должны соответствовать повышенным требованиям к сопротивлению теплопередаче, что позволит сократить потери тепла и снизит потребление энергоресурсов [2–13].
Методология. Методология базируется на обобщении, эксперименте, сравнении, методах математического и компьютерного моделирования. При проведении и обработке исследований соблюдались требования нормативных документов.
Композиционное вяжущее с использованием опоковидного мергеля для сухих пенобетонных смесей для монолитного строительства было получено в результате совместного помола портландцемента, опоковидного мергеля и суперпластификатора.
Основная часть. Обладая рядом преимуществ, пенобетон является экологически чистым материалом, так как в своем составе не содержит химически вредных веществ, стены из пенобетона легко обрабатываются и не требуют особых отделок, устойчиво к влаге, звукопоглощение зданий и сооружений соответствует требованиям действующих нормативных документов. Дома из монолитного пенобетона занимают второе место после деревянных, которые считаются эталоном экологичности.
Наряду с достоинствами монолитный пенобетон имеет следующие недостатки: ограничивается толщина заливаемого слоя; на качество материала влияет соблюдение пропорций приготовления бетонного раствора; поверхность после застывания нуждается в защите дополнительным слоем; технология приготовления раствора требует специальной техники с дозаторами, чтобы не допустить отклонений в пропорциях ингредиентов; пенобетонные плиты нуждаются в несущих каркасах из-за низкой плотности материала.
В настоящее время технология монолитного строительства является прогрессивной технологией и имеет следующие преимущества (рис 1):
|
Монолитное возведение зданий |
|
Относительно низкая себестоимость строительства |
|
Скорость возведения сооружения из монолита и возможность продолжать строительство в любое время года |
|
Удобство для дизайна и комфортность |
|
Долговечность постройки |
Рис. 1. Преимущества технологии возведения монолитных зданий
Использование метода монолитного строительства дает возможность создавать различные архитектурные решения строительным объектам на незначительных площадях, что отвечает требованиям застройки освоенных территорий. Монолитное строительство характеризуется высокими показателями, прежде всего быстрыми сроками возведения зданий, реализации прогрессивных архитектурно – технических решений зданий и сооружений, а также возможностью создания конструкций разнообразных форм и размеров при отсутствии швов, что предотвращает наличие мостиков холода [14–17]. Монолитные конструкции характеризуются более высокой прочностью в сравнении с кирпичными и блочными и требуют меньших затрат строительных материалов. При монолитном строительстве весь подготовительный производственный цикл приготовления пенобетонной смеси переносится непосредственно на строительную площадку. Доставка и использование сухих пенобетонных смесей непосредственно на строительном объекте весьма эффективны, а в условиях Крайнего Севера эффективность их возрастает во много раз.
В связи с поставленной целью было исследовано влияние композиционных вяжущих, приготовленных с использованием опоковидного мергеля в составах сухих пенобетонных смесей, предназначенных для монолитного строительства
Прочность бетонов определяется его структурой, то есть числом контактов гидратных новообразований, степенью их закристаллизованности, морфологией и прочностью. Коренное изменение структуры бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля обеспечивает рост прочности образцов во времени подобно портландцементным при твердении не только на воздухе, но и в воде.
Особенности использования пенобетонов на основе композиционных вяжущих с применением опоковидного мергеля (в сравнении с пенобетонами на портландцементе) определяются следующими технологическими факторами: количеством и видом портландцемента и активных минеральных добавок в составе многокомпонентных вяжущих, которые изменяют плотность композиционных и при получении равнопрочных пенобетонов на их основе увеличивают абсолютный объем пасты в единице объема бетона примерно на 6–12 %.
Проектирование состава пенобетонов на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля, близких по структуре и свойствам к обычным бетонам, выполняли по методикам, принятым для пенобетонов на портландцементе, с учетом особенностей композиционного вяжущего: скорости схватывания и твердения, активности и водопотребности смеси.
Использование модифицирующих добавок определенного типа и в оптимальном количестве позволяет направленно регулировать процессы структурообразования и получать пенобетоны с требуемыми свойствами. В настоящей работе подобраны составы пенобетонов, приготовленных на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля и суперпластификатора SikaPlast 2135 (0,3–0,5 % от массы вяжущего) и исследованы их свойства – водопотребность, подвижность, предел прочности на сжатие в различные сроки твердения (табл. 1).
Важным эксплуатационным свойством пенобетонов является морозостойкость пенобетона. Исходя из теории механизма морозного разрушения, морозостойкость пенобетона определяется структурой цементного камня и характером порового пространства. Испытания пенобетона на морозостойкость проводили на кубах 100×100×100 мм по методу попеременного замораживания и оттаивания образцов в лабораторной морозильной камере при температуре
-18 °С±2. Результаты испытаний пенобетона на морозостойкость представлены в таблице 2.
Из полученных результатов видно, что на показатели морозостойкости влияние оказывает суперпластификатор SikaPlast 2135. Увеличение морозостойкости пенобетонов с добавкой СП SikaPlast 2135 – 0,3 % при сокращении водопотребности (в 1,8 раз), можно объяснить уплотнением структуры цементного камня, а также уменьшением капиллярной пористости. Таким образом, введение суперпластификатора SikaPlast 2135 в количестве 0,3–0,5 % от массы композиционного вяжущего, с использованием опоковидного мергеля позволило снизить водопотребность, в 2 раза повысить прочность бетона через 1 сутки и в 1,7 раз – в возрасте 28 суток, повысить водостойкость (Кр=0,7), морозостойкость (до F50) и получить пенобетон для монолитного строительства классов по прочности на сжатие В15.
Таблица 1
Влияние водовяжущего отношения
композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля на их свойства
|
№ п/п |
В/Вяж |
Расплыв, м |
Rсж, МПа, сутки |
||
|
7 |
14 |
28 |
|||
|
1 |
0,50 |
0,145 |
1,41 |
1,80 |
2,15 |
|
2 |
0,52 |
0,155 |
1,31 |
1,67 |
2,01 |
|
3 |
0,54 |
0,164 |
1,27 |
1,48 |
1,93 |
|
4 |
0,56 |
0,172 |
1,19 |
1,57 |
1,82 |
|
5 |
0,58 |
0,176 |
1,05 |
1,41 |
1,73 |
|
6 |
0,54 |
0,115 |
1,00 |
1,49 |
1,62 |
|
7 |
0,56 |
0,120 |
1,05 |
1,30 |
1,49 |
|
8 |
0,57 |
0,130 |
0,97 |
1,26 |
1,41 |
|
9 |
0,60 |
0,140 |
0,91 |
1,23 |
1,37 |
|
10 |
0,63 |
0,153 |
0,87 |
1,19 |
1,29 |
|
11 |
0,75 |
0,165 |
0,8 |
1,08 |
1,16 |
|
12 |
0,79 |
0,176 |
0,75 |
0,97 |
1,01 |
|
13 |
0,83 |
0,180 |
0,69 |
0,91 |
1,04 |
|
14 |
0,86 |
0,195 |
0,63 |
0,85 |
1,02 |
|
15 |
0,90 |
0,200 |
0,54 |
0,80 |
0,82 |
Таблица 2
Влияние СП SikaPlast 2135 на свойства пенобетонов
|
№ п/п |
В/В |
SikaPlast 2135, % |
Расплыв, м |
Прочность на сжатие МПа, на 28сутки |
Средняя плотность, (28 сут), кг/м3 |
Кр |
F, кол-во циклов |
|
1 |
0,56 |
- |
0,120 |
1,42 |
526 |
0,64 |
15 |
|
2 |
0,31 |
0,3 |
0,150 |
2,79 |
483 |
0,70 |
20 |
|
3 |
0,31 |
0,5 |
0,180 |
2,53 |
530 |
0,68 |
25 |
В работе определены реологические характеристики пенобетонных смесей при содержании опоковидного мергеля в смеси 10 % (рис. 2).
|
а |
б |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Реограммы пенобетонной смеси с СП SikaPlast 2135 0,5 %, с содержанием
опоковидного мергеля в смеси 10 %
а – зависимость эффективной вязкости от градиента скорости сдвига; б – зависимость напряжения сдвига от градиента скорости сдвига
В результате проведенных испытаний было установлено, что увеличение дозировки суперпластификатора SikaPlast 2135 до 0,5 % не снижает предел текучести до нуля. Он сохраняется на уровне 22,85 Па. Реограммы имеют характер, свойственный тиксотропным вязко-пластичным телам. Для улучшения структурно-механических свойств пенобетонов на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля необходимо увеличить дозировки суперпластификатора SikaPlast 2135.
Физико-механические свойства образцов пенобетонов на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля свидетельствуют о стабильности сформировавшейся структуры, что подтверждается поэлементным химическим анализом стенок пор (табл. 3), и электронной микроскопией (рис. 3), проведенным на растровом электронном микроскопе TeckanMIRA 3.
Таблица 3
Состав продуктов гидратации в точках микрозондирования
|
Название спектра |
Содержание элементов, масс % в точках микрозондирования |
|||||||||||
|
C |
O |
Na |
Mg |
Al |
Si |
S |
K |
Ca |
Ti |
Fe |
|
|
|
Спектр 1 |
6.52 |
50.94 |
|
|
|
41.85 |
|
|
0.68 |
|
|
|
|
Спектр 2 |
6.30 |
40.02 |
|
1.17 |
6.79 |
13.65 |
1.43 |
1.20 |
4.95 |
0.72 |
23.74 |
|
|
Спектр 3 |
6.85 |
32.65 |
|
|
0.33 |
2.56 |
0.92 |
|
4.25 |
0.72 |
23.74 |
|
|
Спектр 4 |
6.20 |
53.76 |
|
|
0.28 |
0.86 |
16.34 |
|
22.22 |
|
0.35 |
|
|
Спектр 5 |
4.07 |
52.38 |
|
|
|
|
18.05 |
|
25.49 |
|
|
|
|
Спектр 6 |
5.54 |
62.10 |
|
|
|
|
14.67 |
|
17.69 |
|
|
|
|
Спектр 7 |
5.25 |
47.45 |
0.42 |
1.36 |
9.47 |
24.12 |
0.22 |
2.14 |
2.23 |
0.46 |
6.87 |
|
|
Спектр 8 |
9.39 |
51.86 |
|
|
|
2.41 |
13.77 |
|
22.57 |
|
|
|
|
Спектр 9 |
7.93 |
50.58 |
|
0.82 |
5.86 |
15.75 |
1,83 |
0.87 |
7.95 |
0.71 |
7.70 |
|
|
Спектр 10 |
12.23 |
50.30 |
0.22 |
0.19 |
1.91 |
5.02 |
0.48 |
0.35 |
28.51 |
|
0.78 |
|
|
Спектр 11 |
5.73 |
52.91 |
0.30 |
0.77 |
7.03 |
25.09 |
0.91 |
1.00 |
3.36 |
0.23 |
2.66 |
|
|
Спектр 12 |
4.38 |
54.85 |
0.23 |
0.45 |
4.51 |
32.69 |
|
0.94 |
0.54 |
|
1.41 |
|
|
Спектр 13 |
7.96 |
53.02 |
0.20 |
0.59 |
3.69 |
10.06 |
1.86 |
0.67 |
19.88 |
|
2.06 |
|
|
Спектр 14 |
11.25 |
54.57 |
0.24 |
|
1.33 |
4.75 |
0.74 |
0.32 |
26.40 |
|
0.40 |
|
|
Спектр 15 |
8.76 |
51.50 |
0.46 |
0.88 |
9.30 |
20.09 |
|
1.80 |
2.42 |
|
4.79 |
|
|
Спектр 16 |
12.50 |
50.71 |
0.22 |
0.35 |
2.73 |
5.13 |
0.18 |
0.42 |
26.64 |
|
1.13 |
|
|
Спектр 17 |
6.74 |
58.80 |
|
|
|
32.74 |
0.45 |
|
0.87 |
|
0.40 |
|
|
Спектр 18 |
6.73 |
40.84 |
|
0.89 |
4.40 |
9.93 |
0.38 |
0.40 |
1.38 |
|
35.06 |
|
|
Спектр 19 |
6.91 |
50.58 |
0.44 |
1.16 |
9.54 |
18.78 |
1.42 |
1.77 |
4.19 |
0.23 |
4.98 |
|
|
Спектр 20 |
6.84 |
49.03 |
0.35 |
0.99 |
6.53 |
17.43 |
1.08 |
1.15 |
11.38 |
0.33 |
4.89 |
|
|
Спектр 21 |
10.74 |
51.10 |
0.43 |
0.88 |
7.63 |
20.57 |
0.21 |
1.41 |
2.72 |
0.30 |
3.99 |
|
|
Спектр 22 |
16.95 |
52.36 |
0.19 |
0.17 |
1.75 |
3.80 |
0.28 |
0.33 |
23.41 |
|
0.76 |
|
|
Спектр 23 |
9.47 |
52.91 |
0.42 |
1.27 |
9.68 |
16.70 |
0.21 |
1.54 |
2.15 |
0.78 |
4.85 |
|
|
Спектр 24 |
10.82 |
55.47 |
|
0.18 |
0.34 |
12.25 |
4.11 |
|
16.22 |
|
0.62 |
|
|
Спектр 25 |
5.46 |
56.28 |
|
|
|
0.26 |
16.87 |
|
21.12 |
|
|
|
|
Спектр 26 |
4.40 |
52.38 |
|
|
|
0.20 |
18.81 |
|
24.21 |
|
|
|
|
Спектр 27 |
7.14 |
52.63 |
|
0.52 |
2.69 |
32.45 |
|
0.44 |
1.57 |
|
2.56 |
|
|
Спектр 28 |
3.31 |
48.19 |
|
1.64 |
11.45 |
25.63 |
|
2.92 |
1.19 |
|
5.65 |
|
|
Спектр 29 |
10.57 |
48.88 |
|
|
|
7.74 |
12.43 |
|
20.37 |
|
|
|
|
Спектр 30 |
14.53 |
56.02 |
|
|
|
6.79 |
3.66 |
|
19.00 |
|
|
|
Таким образом, на основе разработанного композиционного вяжущего подобраны составы эффективных пенобетонов класса по прочности на сжатие в возрасте 28 сут – В5–В12,5, с Кр=0,70 и морозостойкостью F35–F50.
Результаты физико-механических показателей пенобетонов, приготовленных с использованием композиционного вяжущего приведены в таблице 4.
а б
в г
Рис. 3. Микроструктура образца пенобетона на основе композиционных вяжущих с использованием
опоковидного мергеля, подвергшемся атмосферным воздействиям на открытом стенде в течение 3 лет:
а) спектры 1–8; б) спектры 9–18; в) спектры 19–23; г) спектры 25–32
Таблица 4
Физико-механические свойства пенобетонов, приготовленных на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля
|
Функциональное назначение |
Наименование показателей и ед. измерения |
|||||||
|
Марка бетона по средней плотности |
Класс бетона по прочности (B) |
Средняя прочность бетона |
Коэффициент теплопроводности Вт/м·˚С |
Морозостойкость |
Коэффициент паропроницаемости, мг/м.ч. Па |
Усадка, % |
Водопоглощение, % |
|
|
На белгородском цементе |
||||||||
|
Теплоизоляционный |
D400 |
B0,75 |
1,06 |
0,10 |
не норм. |
0,23 |
не норм. |
не норм. |
|
D500 |
B1 |
1,42 |
0,12 |
не норм. |
0,20 |
не норм. |
не норм. |
|
|
Конструкционно-теплоизоляционный |
D600 |
B2 |
2,84 |
0,14 |
F15- F35 |
0,17 |
0,03 |
8,5 |
|
D700 |
B2 |
2,84 |
0,18 |
F15- F50 |
0,15 |
0,03 |
8,5 |
|
|
D800 |
B3,5 |
4,5 |
0,21 |
F15- F75 |
0,14 |
0,03 |
8,5 |
|
|
на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля |
||||||||
|
Теплоизоляционный |
D400 |
B1 |
1,48 |
0,085 |
F15 |
0,22 |
нет |
не норм. |
|
D500 |
B2 |
2,79 |
0,097 |
F25 |
0,19 |
нет |
не норм. |
|
|
Конструкционно-теплоизоляционный |
D600 |
B2,5 |
3,25 |
0,11 |
F35 |
0,16 |
нет |
7,6 |
|
D700 |
B3,5 |
4,73 |
0,14 |
F35 |
0,13 |
0,02 |
7,3 |
|
|
D800 |
B3,5 |
5,85 |
0,16 |
F50 |
0,12 |
0,02 |
6,9 |
|
Таким образом, с учетом вышеизложенного, выявлены и обоснованы закономерности, позволяющие проектировать пенобетоны на основе композиционных вяжущих с использованием опоковидного мергеля. Установлено влияние опоковидного мергеля в составе композиционного вяжущего в управлении процессами структурообразования композита.
Использование композиционных вяжущих в составах пенобетонных смесей для производства стеновых камней и блоков позволяет получить композиты с направленным структурообразованием, со структурой, позволяющей получить изделия с высокой прочностью, надежностью, долговечностью, что позволяет рекомендовать их для использования в монолитном строительстве.
