Технология и свойства строительных композитов на серных связующих

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ НА СЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ

В. Т. ЕРОФЕЕВ, доктор технических наук, В. И. СОЛОМАТОВ, акад. РААСН, доктор технических

наук

Л. С. ЯУШЕВА, старший преподаватель

Использование технической серы и серосодержащих отходов в качестве связующих при изготовлении композиционных строительных материалов позволяет получать композиты, обладающие высокими показателями прочности и химической стойкости в водных растворах кислот и солей. Композиты на серных связующих быстро твердеют, 100 %-ная прочность у них достигается в течение суток после изготовления. При этом технология производства исключает использование воды и процесс пропарки, что значительно снижает затраты на производство строительных изделий, а набор прочности бетонов зависит только от времени охлаждения смеси, что позволяет загружать изделия полезной нагрузкой

«

практически сразу после их остывания. Возможность повторного использования серных бетонов (регенерация) без значительных изменений прочностных характеристик и других свойств также является важнейшим свойством, обеспечивающим безотходность производства изделий и конструкций.

Все это позволяет эффективно применять композиты на серных связующих при изготовлении строительных изделий повышенной долговечности и антикоррозионных покрытий строительных конструкций для химического производства. В то же время широкое применение этих материалов сдерживается из-за присущих им недостатков, таких, как значительная трудоемкость приготовления серобетонных смесей, формования конструкций и покрытий из них, повышенная усадка при переходе из жидкого состояния в твердое.

Снижение затрат труда, исключение трудоемких операций совмещения серных композиций с крупным заполнителем во время приготовления и укладки высоковязких смесей, снижение усадочных деформаций достигаются при производстве серобетонов по каркасной технологии, сущность которой заключается в раздельном формировании микро- и макроструктуры с последующим объединением их в единой структуре композита. Сначала заполнитель склеивается по форме будущего изделия в крупнопористый каркас, затем его сообщающиеся поры и пустоты заполняются матричной композицией [2]. Данная технология позволяет получать серобетоны на каркасах, склеенных различными связующими: гипсовыми, цементными, полимерцемент-ными, полимерными, битумными и т. д., что дает возможность регулировать свойства серных композитов в широких пределах и расширить область их применения. В качестве каркасов могут также использоваться промышленные и строительные материалы и изделия, широко применяемые в строительной отрасли и обладающие пористой структурой: фибролит, геотекстиль и т. д.

Теоретические вопросы структуро-образования каркасных композитов изложены в работе [1 ]. При использовании серных связующих необходимо режимы пропитки каркаса назначать с учетом соотношения температур расплава и поверхности каркаса, а также иметь в виду то, что рост температуры приводит к улучшению смачиваемости гидрофильных поверхностей и ухудшению — гидрофобных.

© В. Т. Ерофеев, В, Й. Соломатов, Л. С. Яушева, 1997

а

Нами исследованы физико-техниче-ские свойства серобетонов, изготовленных на гранулированных, волокнистых и тканевых каркасах. Первые из них получали склеиванием зерен гранитного заполнителя полимерными, битумными, жидкостекольными и серными ^ клеями. Физико-механические

свойства этого материала были изучены на образцах-призмах размером 4x4x16 см.

Исследования показали, что из рассмотренных каркасов более высокими прочностными характеристиками обладают материалы на эпоксидных связующих, а наименьшими — на битумных. Исследования также показали, что при изготовлении каркасов на жидкосте-кольных и серных связующих в их состав необходимо вводить наполнители с целью снижения усадочных напряжений в тонких пленках на зернах заполнителя и исключения самопроизвольного разрушения связки между ними. Оптимизационные исследования дали основание сделать вывод, что лучшие свойства приобретают серные каркасы, наполненные пиритными огарками, и жидкостекольные с тонкомолотым керамзитом. Прочностные свойства серных каркасов, в вяжущем которых присутствует тонкомолотый наполнитель, находятся на уровне показателей прототипов, составленных на цементном и полимерном связующих.

В качестве волокнистых и тканевых каркасов рассматривались образцы из готовых материалов, используемых в строительстве: фибролита, минеральной ваты, геотекстиля и стеклоткани, которые характеризуются следующими показателями прочности. У минеральной ваты и фибролита предел прочности при сжатии составляет соответственно 0,04 и 0,4 МПа; прочность при растяжении у стеклоткани и геотекстиля — 3 и 0,5 МПа.

Пропиточными матрицами каркасных серобетонов в зависимости от типа изделий могут служить малонаполнен-

ные и высоконаполненные, тонкозернистые и мелкозернистые составы. Поэтому исследования были направлены

на оптимизацию матриц различных видов.

Одним из эффективных способов улучшения свойств серных композиций является введение модифицирующих добавок. Нами изучались используемые с этой целью нефтяной битум, жидкий каучук, перманганат калия и малеиновый ангидрид. Добавки вводились в композиции следующего состава (в мае. ч.): сера — 1,0; пиритные огарки — 1,0. Графики зависимости изменения прочности при сжатии серных матричных композитов с данными модифицирующими добавками от их количественного содержания представлены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость изменения прочности при сжатии серных композитов от вида и количественного содержания модифицирующей добавки: 1 — перманганат калия; 2 — жидкий каучук; 3 — малеиновый ангидрид; 4 — нефтяной битум

Из графиков видно, что модифицирующие добавки приводят к повышению прочности. При этом их оптимальное содержание следующее: перманга-ната калия — 6 %, жидкого каучука — 3, нефтяного битума — 5 и ма-леинового ангидрида — 1 %. Также было установлено, что добавка битума приводит к уменьшению модуля упругости, повышению предельной сжимаемости составов и тем самым к снижению хрупкости.

Значительное влияние на свойства серных матричных композитов оказывают содержание наполнителя, его природа и дисперсность. Для оценки

влияния природы наполнителя на прочность композитов были проведены физико-механические испытания. В качестве исследуемого материала служили порошки минералов, горных пород, промышленных материалов и отходов промышленности. Крупность использованных наполнителей была принята следующей (в мм): стеклобой — 0,14 — 0,315; известняк — 0,08 — 0,14; графит — 0,08 — 0,14; кварцевый порошок —0,08 —0,14, 0,14 — 0,315, 0,315 — 0,63. Графики изменения

прочности композитов от вида, крупности наполнителя и степени наполнения приведены на рис. 2 и 3.

♦

Рис. 2. Зависимость изменения прочности при сжатии серных композитов от природы наполнителя и степени наполнения: 1 — стеклобой; 2 — известняк; 3 -г- графит; 4 — фос-фогипс; 5 — диатомит

Из рис. 2 следует, что для каждой пары связующее — наполнитель существует своя оптимальная степень наполнения. Прочность составов повышается с увеличением степени наполнения до определенного значения, а затем снова снижается. Для рассмотренных материалов оптимальная степень наполнения (в данном случае отношение массового содержания наполнителя и серного вяжущего) составляет: для

графита — 0,43; диатомита, известня-

ка, фосфогипса — 1,0; стеклобоя — 1,5. Наивысшая прочность при сжатии характерна для составов с известняком и диатомитом — более 40 МПа. Для сравнения: у ненаполненной серы этот показатель менее 20 МПа. У составов с наполнителями малой дисперсности оптимальная степень наполнения сдвигается в сторону малых величин. Например, для кварцевого порошка при крупности 0,08 — 0,14 мм оптимальная степень наполнения составляет 0,67, а для фракционного состава 0,315 — 0,63 — 1,2 (см. рис. 3).

Рис. 3. Зависимость изменения прочности при сжатии серных композитов от степени наполнения и фракции кварцевого порошка: 1 — фракция 0,315 — 0,63 мм; 2 — фракция 0,14 — 0,315; 3 — фракция 0,08 -г 0,14

Из приведенных данных следует, что высокие прочностные свойства у серных композитов достигаются при использовании в качестве наполнителей наряду с известняком и диатомитом кварцевых порошков различной дисперсности, а деформативные свойства улучшаются при добавлении нефтяного битума. С учетом полученных результатов были проведены исследования по оптимизации малонаполнен-ных и высоконаполненных матриц с применением математических методов планирования эксперимента. Факторами варьирования были приняты количественное содержание модификатора — битума, его предельная дефор-мативность, природа и содержание наполнителя, его гранулометрический состав (табл. 1).

Таблица 1

Факторы и уровни их варьирования

Тип наполнителя и его количество, %

кварцевый

песок — 100

известяк — 100

кварцевый песок + известяк — 75+25

кварцевый песок + известяк — 50+50

*5

А В

С

D

Фактор Обознач. Уровень фактора

+1 -1

Количество биту-

ма, % 10 5

Растяжимость би-

тума, см 60 40

Фракция напол-

нителя, мм 0,315 — 0,14 —

0,63 0,315

Отношение вяжу-

щее : наполнитель х4 1:2,5 1:1,0

В качестве матрицы планирования применялась дробная реплика 24, совмещенная с одним латинским квадратом. Оптимизируемыми параметрами служили прочностные показатели при изгибе и сжатии, а также модуль

упругости. Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в табл. 2.

Статистический анализ результатов эксперимента проводился методом факторного анализа. Эффект фактора получался как разность между суммой откликов, в которых Х\ установлен на верхнем уровне, и суммой откликов во всех опытах, в которых X¡ установлен на нижнем уровне, деленная на число опытов. Результаты расчетов свидетельствуют, что эффекты факторов для всех показателей значимы. При этом факторы и Х2 в большей степени влияют на прочность при изгибе, а Х3, Х4 и Х5 — при сжатии. После ранжирования средних значений всех рассматриваемых показателей в порядке возрастания было установлено, что лучшим наполнителем для серобитум-ных связующих является известняк или известняк в сочетании с кварцевым порошком в соотношении 50:50. Значимость различия между средними значениями всех четырех уровней определена при помощи критерия Дункана для уровня значимости р = 0,05 и числа степеней свободы п^^б.

Таблица 2

Матрица планирования и результаты эксперимента

Номер Кодированные значения факторов Прочность, МПа Модуль

опыта XI *2 *з х4 Х5 при сжатии при растяжении упругости, МПа

+1 +1 +1 +1 А 3,1 3,0 4740

2 -1 +1 +ь +1 С 4,1 6,1 2761

3 +1 -1 +1 +1 в 8,5 16,0 2235

4 -1 -1 +1 +1 D 8,4 21,0 884

5 +1 +1 -1 +1 в 6,3 21,0 852

6 -1 +1 -1 +1 D 12,9 17,7 962

7 +1 -1 -1 +1 С 5,1 5,8 7018

8 -1 -1 -1 +1 А 4,0 3,6 2187

9 +1 +1 +1 -1 С 3,7 5,6 3637

10 -1 +1 +1 -1 А 2,4 4,2 861

11 +1 -1 +1 -1 D 8,1 12,0 1233

12 -1 -1 +1 -1 в 9,8 17,2 659 г>

13 +1 +1 -1 -1 D 4,8 ** 7,8 1926

14 -1 +1 -1 -1 в 8,4 8,6 1177

> 15 Н -1 -1 -1 А 4,1 7,6 821

16 -1 -1 -1 -1 С 4,6 12,4 1762

персного

и

Для каркасных серобетонов, составленных на каркасах, имеющих поры и пустоты больших размеров, целесообразно применять высоконаполнен-ные матричные композиции на основе наполнителей двух и более фракций. Исследования показали, что у оптимальных составов количественное соотношение крупнозернистого наполнителя (рассматривался кварцевый песок с модулем крупности 1,4) и тонкодис-

наполнителя (материалы с

удельной поверхностью « 3000 см2/г)

должно находиться в пределах 3:1 4:1 по объему. Матричные композиты, составленные при таком соотношении компонентов на основе систем: кварцевый песок + пиритные огарки, кварцевый песок + тонкодисперсный кирпичный бой, кварцевый песок + тонкодисперсные известняк и кварц, имеют прочность при сжатии больше, чем составы, получаемые на одном виде наполнителя, как крупно-, так и мелкозернистого.

Дальнейшее повышение прочности

и

серных матричных композиции, наполненных кварцевыми порошками (более чем в 1,5 раза), достигается при модифицировании их поверхности пер-манганатом калия. Нанесение модификатора на поверхность наполнителя производилось его адсорбцией из водного раствора.

На каркасах, составленных с помощью плотных заполнителей, неорганических и органических клеев, а также из волокнистых и тканевых материалов, и серных ненаполненных и наполненных матрицах получены каркасные композиты с комплексным связующим. Результаты испытания каркасных композитов на гранулированных заполнителях и матрице, наполненной пиритными огарками, приведены в табл. 3.

Из представленных данных следует, что изготовление серобетонов каркасной структуры и на комплексных связующих позволяет существенно повысить прочностные свойства композитов. Серобетоны, составленные на полимерных, цементных, битумных и жидко-стекольных связующих, имеют проч-

Таблица 3

Физико-механические свойства каркасных

серобетонов

Состав Физико-механические

каркаса серобетона, свойства, МПа

ударн.

мае. ч. прочн. прочн. модуль

при при вяз- упру-

сжатии изгибе кость гости

Смола ЭД-20—

100; полиэти-ленполи-амин — 10; щебень — 2500

Портландцемент—100;

вода — 45; щебень — 1500

Нефтяной битум марки

БН-4 — 100; щебень — 1500

Жидкое стекло — 100; кремнефтори-стый натрий — 15; молотый керамзит — 20; щебень — 2300

Сера — 100; пиритные огарки — 20; щебень — 2500

17,30 4,80

1,63 5930

20,20 4,70

2,59 5790

4,20

3,40

3,06

7045

7,80

4,60

2,04

1590

24,80 2,48

1,50 8785

ность при изгибе выше более чем в 1,4 раза по сравнению с материалами, изготовленными полностью на серных связующих. Существенно повышается прочность серобетонов при ударе в случае их изготовления на цементных и битумных каркасах, а также деформа-тивность при применении последних. Прочностные показатели при растяжении лучше у материалов, изготовленных с применением волокнистых и тканевых каркасов и модифицированных ненаполненных матриц. Пропитанные полимерной серой образцы на основе стеклоткани, фибролитовой плиты, геотекстиля и минеральной ваты имеют предел прочности при растяжении соответственно 4,4; 3,5; 2,2 и 1,5 МПа.

Таким образом, результаты исследования показывают, что изготовление серобетонов по каркасной технологии и на комплексном связующем открывает новые области применения серных связующих в строительстве.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ерофеев В. Т. Каркасные строительные 2. Соломатов В. И. Технология полимербе-

композиты: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. тонов и армополимербетонных изделий. М.: М., 1993. 52 с. Стройиздат, 1984. 144 с.

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОПОТЕРЬ В ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЯХ

В. Ф. ВАВИЛИН, доктор исторических наук

В Республике Мордовия ежегодно расходуются миллионы тонн условного топлива на обогрев жилых и общественных зданий. Сэкономив лишь 10 % тепловой энергии, можно сберечь десятки и сотни миллионов рублей. Потери тепла в зданиях и сооружениях происходят в основном через наружные ограждающие конструкции — стены, окна, двери и покрытия, крыши. Для уменьшения теплопотерь и обеспечения нормального температурно-влаж-ностного режима внутри помещений можно предложить достаточно большой комплекс мероприятий.

При выборе архитектурно-планиро-вочного решения зданий необходимо стремиться к тому, чтобы сделать их как можно более компактными в плане, с наименьшей площадью наружных стен, так как они весьма значительно влияют на величину теплопотерь. Оптимальными с этой точки зрения являются здания в форме цилиндра, куба, параллелепипеда.

Однако в Мордовии можно насчитать сотни общественных и административных зданий с избыточными периметрами наружных стен. Это, как правило, здания детских дошкольных учреждений, школ, клубов, домов культуры и т. д. Наличие многочисленных изломов наружных стен затрудняет конвективные токи внутреннего теплого воздуха в углах помещений, способствует отсыреванию и появлению плесени на стенах и потолках, что, естественно ухудшает внут-

ренний микроклимат и существенно снижает санитарно-гигиенические и эксплуатационные качества зданий.

Здания в застройке следует размещать таким образом, чтобы наружные поверхности стен располагались под углом к направлению преобладающих зимних ветров, а входы были ориентированы в зону ветровой тени, то есть находились с заветренной стороны. Положительным примером обдуманного учета данного фактора являются планировка и застройка сельских поселений.

Народные зодчие, умело приспосабливаясь к местным природным условиям, выработали устойчивые, ставшие традиционными приемы архитектурно-планировочной композиции сельских населенных мест. Эти приемы учитывают не только особенности окружающего ландшафта и рельеф местности, но и преобладающие направления зимних ветров. Много внимания уделялось ориентировке жилых домов по сторонам света, тому, чтобы использовать тепло солнечных лучей для нагрева воздуха внутри помещений. Выработанные веками богатые архитектурно-планировочные традиции народных зодчих можно с успехом использовать при разработке проектов планировки и застройки жилых микрорайонов современных городов и поселков.

Следующая мера сокращения теплопотерь — повышение тепловой инер-ции^ограждающих конструкций зданий, позволяющей увеличить надеж-

© В. Ф. Вавилин, 1997