В основных направлениях экономического и социального развития Кыргызской Республики (КР) поставлена задача по созданию энергоресурсосберегающих материалов для строительства из местного сырья с улучшенными техническими свойствами. Это обеспечит повышение уровня индустриализации, сокращение сроков строительства и его стоимости за счет импортозамещения аналогичных строительных материалов. А также предусмотрено развитие производства сейсмостойких строительных изделий и конструкций с пониженной металлоемкостью, стоимостью и трудозатратами, обеспечивающих уменьшение материалоемкости, массы зданий и сооружений, улучшение их теплозащиты [1–3].
Для производства арболита, фибролита, стружко-, скопо- и опилкобетона и др. материалов из растительно-вяжущей композиции, используются целлюлозосодержащие заполнители растительного происхождения, к которым относятся отходы дерево- обрабатывающей (станочная стружка, щепа, низкосортная и некондиционная древесина, тонкомер, неделовой горбыль срезки, торцы, лесорамные опилки, одубина), сельскохозяйственной (солома, костра льна, кенафа, джута, стебли хлопчатника, камыша) и целлюлозно-бумажной (скоп и др.) промышленностей. Обладая общей специфичностью свойств, эти заполнители оказывают существенное влияние на технологические и эксплуатационные свойства, а также на процессы структурообразования растительно-вяжущих композитов (РВК) [4, 5].
В условиях центрально-азиатского региона, в частности в Кыргызской Республике, где дефицитом является деловая древесина и ее отходы, но достаточно растительных отходов сельского хозяйства, которые почти не утилизируются, целесообразно их применение в качестве заполнителя вместо древесины в производстве арболита (солома, стебли хлопчатника, табака и др.) [6].
Прочность арболита обусловливается следующими основными качественными показателями свойств заполнителя: химическим к гранулометрическим составом, а также коэффициентом формы зерен, деформативностью. Требуемые активность и расход вяжущего, а также плотность получаемого арболита при его оптимальной структуре и при оптимальном составе смеси обеспечивают необходимую прочность структурных связей между затвердевшим вяжущим и органическим заполнителем. Далее прочность арболита зависит от правильно выбранного режима твердения [7, 8].
Применение химических добавок (жидкое натриевое стекло и хлористый кальций) позволило нейтрализовать действие экстрактивных веществ заполнителя на цемент путем образования дополнительных химических связей в зоне контакта и уменьшить их отравляющее действие на цемент по мере удаления от этой зоны. Таким образом, термическая обработка заполнителей является эффективным способом повышения прочности арболита и адгезионного сцепления с цементом. Класс арболита по прочности на сжатие повышен до В1,5, то есть получен арболит теплоизоляционно-конструкционного назначения, что расширяет область его применения в качестве стеновых ограждений малоэтажного строительства. Данное направление, по-видимому, исчерпывает свои возможности. Об этом свидетельствуют поиски новых вяжущих, не подверженных влиянию экстрактов, стремление образовать гибкие адгезионные связи, воспринимающие влажностные деформации древесины. Потребность усиления физического сцепления волокнистой поверхности увеличивает расходы материала.
Одним из путей направленного структурообразования арболита может служить использование внутренних резервов органического заполнителя как капиллярно-пористого химически активного материала. Структура капилляров и пор определяет перспективу целенаправленного переноса в системе «вяжущее – заполнитель», а химическая активность древесины способна создать необходимые условия для этой цели [8].
Структура арболита близка к структуре крупнопористых легких бетонов на пористых минеральных заполнителях. В отличие от последних, прочность арболита зависит от значительно большего количества факторов, а именно от химической активности заполнителя, его анизотропности, влажностных деформаций и коэффициентов линейного расширения, значительно отличающихся от соответствующих коэффициентов цементного камня [9].
В Кыргызском государственном университете строительства, транспорта и архитектуры выполнены исследования по использованию рисовой и другой соломы злаковых в качестве заполнителя в производстве арболита.
При этом в качестве местного минерального вяжущего стали применять строительный гипс, а для получения стабильных прочностных характеристик и обеспечения атмосферостойкости материала заполнитель обрабатывать полимерсиликатными модификаторами.
Повышение эксплуатационных и водостойких свойств гипсовых вяжущих достигается введением в них местного сырья Кыргызской Республики – извести, золы, глины и др.
С целью повышения водостойкости и снижения расхода гипса предлагается использование в составе гипсовых смесей до 2,5–7,5 % известь, 20–25 % золы-уноса, содержание Na2SO4 от 1–4 % и остальное гипс марки Г4.
А.С. Мавлянов, Б.Т. Ассакунова, А.А. Аб- дыкалыков, А.А. Абышов, при разработке гипсовых композиционных вяжущих, в качестве наполнителей были использованы базальтовые породы, гранит, воласстонит, глиеж.
В качестве вяжущего был использован гипс марки Г4 и Г5. Повышение водостойкости и прочностных характеристик гипсовых вяжущих осуществляется использованием наполнителей, модифицирующих, пластифицирующих, воздухововлекающих добавок. В качестве удлинения срока схватывания вяжущего введены лимонная кислота и костный клей.
Использование добавок изменяет условия структурообразования в гипсовом камне, что влияет на механические свойства материалов. Механизм действия добавок зависит от их свойств и часто носит комплексный характер. Так, замедлители уменьшают скорость образования зародышей кристаллов, скорость роста, габитус кристаллов.
Изучены физико-химические особенности процесса гидратации пластифицированных гипсовых вяжущих, полученных методом введения пластифицирующих добавок для снижения водопотребности и улучшения их прочностных характеристик [10–12].
Цель исследования: получение теплоизоляционно-конструкционного, атмосферостойкого арболита средней плотностью 600–650 кг/м3 на основе измельченной пшеничной соломы, а также изучение его деформативных свойств для возможного применения в ограждающих конструкциях.
Материалы и методы исследования
В работе в качестве растительно-гипсовой композиции (РГК) использовались солома злаковых, произрастающих в КР, и гипс строительный.
По природному происхождению, морфологической структуре и химическому составу стебли соломы зерновых близки к древесине. Солома пшеницы (Triticum aestivum) для производства арболита имеет повышенную прочность по сравнению с другими злаковыми (ячмень, овес, рис и др.), так как она содержит в 2 раза меньше воска и кремнезема.
Технические свойства соломы пшеницы с размером частиц по длине 20–50 мм следующие: прочность при растяжении – 316,2 Н/мм2; процент удлинения – 2,41 %; средняя сухая насыпная плотность – 50–60 кг/м3.
Качество заполнителя на основе соломы: не допускается присутствие гигроскопической влажности 80 %, гнили, кусков грунта, плесени от уборки. По объемам производства в КР, физико-механическим свойствам соломы пшеницы является подходящим сырьем для производства строительного арболита.
В исследованиях в качестве минерального вяжущего был использован быстротвердеющий строительный гипс марки Г-5 и Г-7 на основе сырья Бактерекского месторождения, который относится к сырью I-го сорта, гипсового предприятия с. Кулан-Ак Нарынской области. Начало схватывания 6 минут, конец – 14 минут. Предел прочности на сжатие – 6,4 МПа, на изгиб – 3,9 МПа и зола БТЭЦ, а также портландцементный клинкер ПЦК, природный, натуральный глиногипс (ганч). В качестве глинистой составляющей использовались суглинки Толойконского месторождения.
В качестве модификаторов для образования пористой полимерсиликатной системы использовались: жидкое стекло (ГОСТ 13078) плотность 1,32 г/см3, латекс СКС (ГОСТ 10564), смола малоконцентрированная СФЖ-3066 + катализатор ионного типа (ГОСТ 20908). Пластифицирующие добавки при изготовлении арболита приняты СКС, СДБ и ЛСТ. В качестве замедлителя схватывания гипса – нитроплопериметилфосфорная кислота (НПФК) и антипирены. Все компоненты исследовались в лаборатории на соответствие нормативным требованиям.
Свойства арболита физические и механические определялись на образцах-кубах размером 15х15х15 см и 10х10х10 см согласно ГОСТ 18105-85 и ГОСТ 1922, морозостойкость по ГОСТ 10060.0-95.
При проведении испытаний использовали пресс гидравлический малогабаритный ПГМ-1500МГ4, прибор ультразвуковой УК-15М (прочность бетона) по ГОСТ 17624, ПЛС-100, ДРОН-2, лазерный анализатор ЛГ-78, вискозиметр Суттарда ВС – для определения сроков схватывания гипсового теста по ГОСТ 23789, визуально-измерительный комплект ВИК-1 и др. Физико-химические анализы выполнены с использованием рентгенофазового, ИК-спектроскопического методов.
– испытание гипса и разработанных составов полимерсиликатногипсозольных вяжущих определялось согласно ГОСТ 23789. Тонкость помола – ГОСТ 310.2; сроки схватывания – ГОСТ 310.3; предел прочности при изгибе и сжатии – ГОСТ 310.4.
– испытание золы проводилось согласно действующей технической документации (ТУ 21-31-2-71, ГОСТ 9592).
– дисперсность золы характеризуется гранулометрическим составом (ситовым анализом) ГОСТ 310.2-76 и удельной поверхностью ГОСТ 310.2-76*.
Результаты исследования и их обсуждение
На основании экспериментально-теоретических исследований разработаны состав арболита и способы активации гипсозольного вяжущего для получения атмосферостойкого арболита. Целью настоящей работы получение теплоизоляционно-конструкционного арболита средней плотностью 600–650 кг/м3 на основе измельченной пшеничной соломы, а также является изучением его деформативных свойств для возможного применения в ограждающих конструкциях [6, 7].
В работе использовались составы растительно-вяжущей композиции для водостойкого стенового арболита из местного сырья, состоящий: солома – (24–32 %); гипс (Г-7) – (30–34 + нитроплопериметилфосфорная кислота (НТФ) – (+0,05 %); зола (18–22 %) + сульфатно-дрожжевая бражка (СДБ) (+0,15 %); ПЦК-5 %; глиногипс (гажа) – 2 %; полимерсиликатные добавки (ПСД) (8–12 %) на основе малоконцентрированного олигомера СФЖ-3066+0,2 бутадиенстирольный латекс (СКС) и лигносульфат технический (ЛСТМ) (0,15 %), катализаторы – (ТПФН) – (0,8 %), отвердитель – НТВ (0,5 %) и остальное вода.
Показатели деформативности были проведены на стандартных образцах размерами 15х15х60 см после 28-суточного их твердения в нормальных условиях с использованием методами, приведенной в ГОСТ 24452-80 «Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона». Согласно этому нормативному документу, к показателям деформативности относят: коэффициент призменной прочности – (Кп); модуль упругости – (E, МПа).
Составы и свойства полученных арболитовых материалов с использованием дробленой пшеничной соломы различной фракции и класса (марки) по прочности приведены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Содержание компонентов в % сырьевой смеси, кг/м3
Рис. 2. Свойства водостойкого арболита
В результате исследования испытуемых арболитовых образцов материалов кубиками размеров 15х15х15 см, а также призмами размеров 15х15х60 см установлено, что значение отношения призменной прочности (Rп) к кубковой прочности (R) для арболитовых материалов с использованием измельченной пшеничной соломы составляют соответственно 0,61 и 0,65. При этом значение начального модуля упругости испытуемых арболитовых материалов с использованием измельченной пшеничной соломы более чем в два раза превышает ее нормативные значения.
Заключение
Введение в растительно-вяжущей композиции (РВК) на основе гипса и малоизвестных зол структурообразующих добавок и полимерсиликатных композиций с пластификаторами (ЛСТ, СКС, СДБ) способствует повышению прочностных свойств и получению на их основе гипсозолощелочных вяжущих с повышенными техническими характеристиками.
По результатам проведенных испытаний по определению физико-механических свойств арболитовых материалов с использованием измельченной пшеничной соломы установлена возможность изготовления атмосферостойких стеновых блоков, на основе разработанных новых технологий, которые удовлетворяют основным нормативным требованием МРТУ 21-5-64 [11].
Разработана новая технология по приготовлению арболитовых гипсозольнощелочных смесей с полимерсиликатными добавками, обеспечивающими заданные деформативные и реологические свойства вяжущего по ГОСТ 19222 «Арболит и изделия из него», и может быть рекомендована для производства стеновых и теплоизоляционных блоков в малоэтажном строительстве.