Введение к работе
Актуальность. Каменная кладка является одним из древнейших видов конструкций, состоящих из стенового материала и кладочного раствора. Актуальность возведения каменных конструкций не снижается и в наше время. Ключевым недостатком традиционной каменной кладки является её невысокая надёжность при динамических воздействиях техногенного и природного характера, что ограничивает её применение в свете тенденции к ужесточению норм по сейсмостойкости зданий и сооружений. Слабым местом системы является контактная зона между стеновым материалом и раствором, а именно- недостаточное сцепление между ними. Направленность работы на устранение данного недостатка, путём создания экономичных и эффективных композиционных вяжущих, обусловливает её актуальность.
Диссертационная работа выполнена в рамках: Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г., договор №А-14/12 – «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» (сроки выполнения 2012-2014 г); госбюдженой НИР №1978 от 31.01.2014 г. «Повышение эффективности производства энергосберегающих, инвестиционно-привлекательных стеновых и отделочных материалов за счёт использования неорганических пластифицирующих систем», в рамках госзадания на оказание услуг – базовая часть. Срок выполнения 2014-2016 г.
Степень разработанности темы. Известно, что традиционные
кладочные растворы на основе минеральных компонентов имеют
ограниченный потенциал наращивания основных показателей, в частности
адгезии к различным видам стеновых материалов. Это связано с большим
количеством негативных побочных явлений, вызываемых вводимыми в них
тонкодисперсными компонентами, перекрывающими основной
положительный эффект. Использование полимерных модификаторов, хорошо зарекомендовавших себя в сухих строительных смесях различного назначения, не популярно ввиду значительного удорожания строительного раствора при его высоком расходе – в толстошовной кладке растворные швы могут формировать до 20% от общего объёма конструкции.
Решением, не применявшимся ранее, является разработка композиционных вяжущих, обеспечивающих сродство растворов к основным типам применяемых стеновых материалов, с целью повышения сцепления между элементами кладки, её надёжности и безопасности.
Цель работы: разработка эффективных композиционных вяжущих и кладочных растворов на их основе.
Задачи:
– анализ факторов, определяющих надёжность и безопасность каменной кладки, средств их реализации;
– разработка и исследование свойств композиционных вяжущих, оптимизированных для получения кладочных растворов, с учётом закона сродства структур;
– исследование особенностей взаимодействия разработанных кладочных растворов с основными типами стеновых материалов;
– определение путей совершенствования разработанной системы;
– подготовка нормативных документов, практическая реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
Предложены принципы повышения эффективности кладочных растворов, заключающиеся в проектировании композиционных вяжущих с учётом закона сродства структур. Замена 60% портландцемента на минеральную добавку из соответствующего стенового материала приводит к росту новообразований, аналогичных матрице элементов кладки. В созданной таким образом конструкции предел прочности на срез и на разрыв повышается в 1,5-3 раза, что особенно актуально в связи с ужесточением требований по сейсмостойкости зданий.
Установлено, с учётом специфики твердения, кладочные растворы должны быть адаптированы к заполнению микронеровностей поверхности соответствующих стеновых материалов; иметь в составе вяжущего минеральную добавку, способную противодействовать отсосу влаги поверхностью стеновых материалов для благоприятного протекания гидратационных процессов в начальный период твердения, иметь высокую раннюю прочность. Так, предел прочности при сжатии растворов, разработанных с учётом закона сродства структур и твердеющих на подложке из соответствующих стеновых материалов, в 3-3,5 раза выше, чем у стандартных в возрасте 7-14 сут.
Доказано, что высокие эксплуатационные характеристики кладки на разработанных растворах объясняются микроструктурой оптимизированного камня, которая отличается однородностью, существенно меньшим размером новообразований, их равномерным распределением, полиминеральным составом, повышенной плотностью и степенью гидратации клинкерных минералов. Четкой границы контактной зоны со стеновым материалом не просматривается за счёт сродства структур элементов многослойной системы. Гармонизация тепловых и влажностных деформационных показателей предопределяет долговечность конструкции.
Теоретическая и практическая значимость работы:
– предложены принципы повышения эффективности кладки за счёт применения композиционных вяжущих;
– обоснована новая разновидность композиционного вяжущего вещества, предназначенного для приготовления строительных растворов различного назначения, в первую очередь – кладочных;
– разработана рецептура низкомарочных композиционных вяжущих, имеющих сродство к основным типам стеновых материалов, являющихся
5 высокоэффективной специализированной минеральной основой для широкого спектра строительных растворов различного назначения;
– определены составы и изучены свойства кладочных растворов на основе разработанных композиционных вяжущих и кварцевого песка, приготавливаемые на стройплощадке, позволяющие повысить нормальное сцепление раствора со стеновым материалом в 2-3 раза по сравнению с традиционным цементно-известковым кладочным раствором, в 1,5-2 раза по сравнению с сопоставимыми по стоимости товарными кладочными смесями; увеличить надёжность и безопасность кладки в условиях динамических воздействий, повысить культуру строительного производства;
– предложена схема организации производства композиционных вяжущих, которые содержат в качестве минеральной добавки бой соответствующих стеновых материалов, в формате мобильного комплекса. Рассмотрены варианты его размещения по отношению к источникам сырья и потребителям;
– проведена оценка затрат на организацию и производство композиционных вяжущих для кладочных растворов, определена себестоимость продукции, оказавшаяся равной применяемым цементно-известковым растворам, существенно уступающим по техническим показателям.
Методология работы и методы исследований. Методологической основой явились теория искусственных конгломератов, основные положения закона сродства структур. Задачи в диссертационной работе решались с помощью установления закономерностей «рецептура (технологические факторы) – параметры структуры – свойства».
Изучение свойств композиционных вяжущих производилось методами лазерной гранулометрии и ротационной вискозиметрии. Для проведения качественного и количественного анализа процессов структурообразования композиционных вяжущих, кладочных растворов и каменной кладки использовались методы растровой электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, физико-механические методы испытаний.
Достоверность результатов работы. Для получения достоверных результатов при проведении исследований широко применялись стандартные методики, регламентированные нормативными документами. В работе использовалось аттестованное оборудование. Все результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора.
Внедрение результатов исследований. Для внедрения результатов исследований диссертационной работы разработаны следующие нормативно-технические документы: СТО 11779802 - 001 – 2015 «Смеси сухие кладочные «MortarCeramic», «MortarSilicate», «MortarBlock». Технические условия»; технологический регламент на производство сухих кладочных смесей на основе композиционных вяжущих. Подписан протокол о намерениях внедрения результатов работы с ООО «Старатели» (г. Лыткарино, МО).
Разработаны рекомендации по приготовлению композиционных вяжущих для кладочных растворов. Зарегистрировано ноу-хау №20150007 от 01.07.2015 г.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены и используются в учебном процессе в БГТУ им. В.Г.Шухова при подготовке студентов бакалавриата по направлению 270800.62 – «Строительство», профиль – «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; студентов магистратуры профилей 270800.68-03 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и 270800.68-04 «Инновации и трансфер технологий», что отражено в учебных программах дисциплин «Современные технологии композиционных материалов», «Инновационные технологии и материалы в строительстве».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международная научная конференция «Геоника: Проблемы строительного материаловедения; энергосбережение; экология» (Белгород, 2012 г.); Международная научная конференция «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013 г.); 42-я студенческая научная конференция (Белгород: БГТУ им. В. Г. Шухова, 2013 г.); III Всероссийская научно-практическая конференция: «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Якутск, 2014 г.); XII международная научно-практическая конференция «Наука вчера, сегодня, завтра» (Новосибирск, 2014 г.); Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2014 г.); ХIII Академические чтения РААСН «Научные и инженерные проблемы строительно-технической утилизации техногенных отходов (Белгород, 2014 г.); Международная научно-практическая конференция, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова» «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Россия, Чеченская Республика, г. Грозный, 24 – 26 марта 2015 г.); Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича (Белгород, 2015 г.).
Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы изложены в 9 научных публикациях, в том числе: 2 в центральных рецензируемых научных журналах, 2 в зарубежных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus.
Объём и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 160 наименований, и 3-х приложений. Работа изложена на 203 страницах текста, содержит 45 рисунков, 37 таблиц.
На защиту выносятся:
– реализация принципов закона сродства структур при решении практических задач;
теоретическое обоснование и технология получения композиционных вяжущих для кладочных растворов;
составы и свойства кладочных растворов с повышенной адгезией к основным типам кладочных материалов.