Глава 14.

ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Процесс создания новых строительных материалов различного на­значения основывается на законах материаловедения. Все искусственно полученные материалы представляют собой сложные по составу компози­ты, сочетающие в себе связующий компонент с вводимыми армирующими элементами и (или) наполнителями (заполнителями). Роль связующего мо­гут выполнять металло- и стеклорасплав, высокомолекулярные смолы, це­ментное, гипсовое или глиняное тесто.

Назначение связующего - обеспечение технологических свойств смеси и монолитности получаемого материала или изделия. Вид связую­щего определяет термо- и коррозионную стойкость, электропроводность изделий.

Наполнители и арматуру вводят в состав связующего для снижения деформаций, повышения жесткости, прочности на различные виды нагрузок (истирающие, изгибающие, ударные, растягивающие, сжимающие), увели­чения термостойкости, придания изделию таких специальных свойств, как пониженная теплопроводность, звукоизоляция и звукопоглощение.

Роль наполнителей играют тонкомолотые частицы и микроволокна минерального или органического происхождения (песок, известняк, шлам, асбест, резина). Эти компоненты применяют для снижения усадочных де­формаций, повышения твердости и термостойкости изделия в объеме. На­пример, добавление в глиняную массу отощающих добавок (шлака, песка) снижает воздушную и огневую усадку керамических изделий. Спекание гранул стекла с кварцевым песком используют при получении стеклокрем- незита - высокопрочного материала для облицовки пола, тонкомолотые ми­неральные наполнители в полимерных и битумных мастиках повышают их теплостойкость, отходы резины - гибкость и упругость. Применение мелких и крупных плотных заполнителей в бетонах снижает ползучесть цементного камня, повышает прочность на сжатие бетонных конструкций.

Армирующие элементы в зависимости от их конкретного назначе­ния, формы и размеров получаемого изделия и применяемой технологии могут быть в виде относительно длинных волокон (растительных, стек­лянных, базальтовых, металлических), сеток (полимерных, металлических, стекловолокнистых), стержней (стальных, стеклопластиковых), ткани (стеклянной, полимерной) или листовых материалов (древесный шпон, картон). Основное их назначение - значительное повышение прочности на изгиб, растяжение, удар, а также создание пространственного каркаса воз- духонаполненных теплоизоляционных и акустических материалов. Так, растительные волокна придают жесткость и прочность крупноразмерным гипсоволокнистым листам, используемым не только в качестве отделочно­го материала, но и конструкционного при выполнении легко трансформи­руемых перегородок. Сетчатая, тканевая или картонная основы обеспечи­вают необходимую прочность на разрыв и гибкость рулонным материалам для покрытия крыш и пола. Пропитка горячими смолами листового дре­весного шпона с последующей многослойной прессовкой позволяет полу­чить высокопрочное изделие, применяемое при производстве каркасных стеновых конструкций, жестких оболочек для покрытия помещений боль­шой площади (выставочные залы, рынки, стадионы). Глиносоломенные композиции находят все большее применение при строительстве монолит­ных или сборноблочных экологически чистых индивидуальных домов, в которых удачное сочетание легковозобновляемых и утилизируемых ком­понентов обеспечивает комфортные температурно-влажностные условия проживания людей.

При сложных условиях работы, когда в процессе эксплуатации на материал действуют изгибающие, истирающие и ударные нагрузки (по­крытие пола на промышленных предприятиях), растягивающие, изгибаю­щие и сжимающие в железобетонных конструкциях (фермы, балки) при­меняемые армирующие элементы (металлическая стружка, стальные сетки и стержни, располагаемые в определенной зоне, совмещают с наполните­лями и заполнителями, обеспечивающими прочность в объеме. Примером сложного армирования может служить забивная железобетонная свая, в которой необходимую прочность при забивании в грунт, сохранение цело­стности, обеспечивающей надежную долговременную работу конструк­ции, обеспечивает сочетание цементного связующего с прочным, плотным мелким и крупным заполнителями, дисперсными металлическими волок­нами (фибрами) и стержневой стальной арматурой.

В большинстве своем название композитов определяется видом применяемого связующего: металлические, керамические, стеклянные, гипсовые, цементные, битумные, полимерные. Иногда для улучшения экс­плуатационных свойств изделий роль связующего выполняют органиче­ские или органоминеральные комплексы - полимербитумные, полимер- цементные.

При высокой степени насыщения изделия волокнистым компонен­том на первое место в наименовании ставится вид армирующего элемента, а на второе - применяемое связующее. К таким материалам относятся льнокостричные, древесностружечные, минерало- и стекловатные плиты на полимерном связующем, древесноволокнистые на клеевом.

При получении искусственных материалов используют несколько технологических приемов. Один из основных, присутствующий в произ­водстве каждого изделия - промежуточный процесс перемешивания вяз- копластичной смеси связующего, армирующих компонентов и корректи­рующих добавок. Последующим прокатом (металлические и стеклянные листы, полимерные безосновные линолеумы и пленки, древесностружеч­ные и древесноволокнистые плиты), прессованием (стеклоблоки, стеновые керамические камни и кирпичи, листовые полимерные пластики), экстру­зией (металлические стержни, полимерные и стеклянные трубы) однород­ной массе придают заданную форму. При производстве сложных по кон­фигурации изделий (керамических, санитарно-технических) или простых мелкоштучных (керамических, стеклянных коврово-мозаичных плиток) применяют литьевую технологию.

Формовка крупноразмерных, высокопрочных железобетонных кон­струкций и изделий требует совмещения нескольких сложных технологи­ческих приемов: вибропрессования, вибропроката.

Корректировку основных свойств получаемых материалов проводят путем подбора используемых основных компонентов, введением добавок и технологическими приемами. Наиболее значительных результатов дости­гают при использовании комплекса мер. Например, для повышения эффек­тивности керамических стеновых материалов увеличивают объем изделий, повышают точность размеров за счет дополнительного технологического приема - шлифовки, понижают среднюю плотность и теплопроводность введением комплекса порообразующих добавок (выгорающих - торфа, древесных отходов, гранулированной макулатуры и газообразующих - из­вестняка), а также используют специальные формы, позволяющие полу­чить пустоты заданной конфигурации, глубины и порядка расположения в изделии. Получение теплоизоляционных легких бетонов предусматривает использование высокопористых заполнителей и поризацию цементного камня пено- и газообразующими добавками.

Моделирование и создание новых строительных материалов может проводиться по двум основным схемам в зависимости от поставленной цели.

Первая - имеется материал (например, отход производства), который необходимо утилизировать. В этом случае разработка включает следую­щие этапы:

• изучение состава (фазового, химического), структуры (микро- и макро) и свойств (экологичности, прочности, водостойкости, плотности, термостойкости) имеющегося материала;

• анализ полученных показателей и ориентировочное определение возможной области использования;

• в зависимости от свойств и структуры определение его роли в компо­зиционном материале (связующее, наполнитель или армирующий элемент);

• определение вида изделия (листовой, плитный, рулонный, вязкоте- кучий) и основных технологических параметров его получения;

• выбор основополагающих критериев свойств в зависимости от на­значения и результатов патентно-информационных исследований;

• подбор состава материала с использованием математического ме­тода планирования;

• отработка и корректировка технологических параметров в лабо­ратории;

• опытно-производственное внедрение на заводских технологиче­ских линиях, разработка и утверждение технических условий на новый строительный материал, получение патента.

Вторую схему рационально использовать в том случае, если цель ра­боты состоит в создании материала заданной формы и назначения. При та­кой постановке возможна следующая последовательность решаемых задач и вопросов:

• проведение патентно-информационных исследований, анализ имею­щихся решений, определение основных показателей качества будущего ма­териала и их количественных значений, которые должны быть на уровне или превышать мировые аналоги;

• ориентировочный выбор компонентов (связующего и армирующе­го назначения), совместное применение которых может привести к задан­ному решению;

• лабораторный подбор состава и технологии получения материала и изделия с использованием математического метода планирования;

• опытно-производственное внедрение на заводских технологиче­ских линиях, разработка и утверждение технических условий на новый строительный материал, получение патента.

При разработке новых строительных материалов и технологий их получения необходимо оценивать экономические параметры, включающие потребность и возможный объем их производства, имеющуюся сырьевую базу, себестоимость с учетом стоимости сырья, энергозатрат, создания технологической линии (оборудования) и сравнения ее с имеющимися аналогами, а также необходимые средства для проведения исследователь­ских работ. При отработке технологии важно, чтобы ее экологическая ха­рактеристика приближалась к значению «три», что означает сочетание низкой материалоемкости, энергоемкости и высокой степени организован­ности производства.

В перечень важных показателей входит также степень безопасности технологии и применения создаваемого материала, возможность и без­вредность его утилизации после окончания срока эксплуатации. Самым сложным и объемным по времени является этап, включающий подбор со­става и отработку технологии получения композиционного материала и изделия. Сначала, как правило, подбирают вид связующего, отвечающего не только за основные свойства материала (прочность, водостойкость, кор­розионную и термостойкость), но и определяющего основные технологи­ческие процессы и контролирующие их параметры (температуру, продол­жительность и интенсивность перемешивания, давление и т.д.). Затем в за­висимости от конечной цели в него вводят наполнители и (или) армирую­щие элементы, корректируя их вид, степень измельчения, размер, порядок расположения до достижения заданных показателей. При проведении этой научно-исследовательской работы необходимо очень хорошо знать не только недостатки и преимущества каждого компонента, но и возможность их совместного использования. Так, полимерные связующие в зависимости от состава могут быть термопластичными (полиэтилен, полистирол, поли- винилхлорид и т.д.) или термореактивными (эпоксидные, фенолоформаль- дегидные). Первые более технологичны, но имеют меньшую прочность, вторые обладают большей механической прочностью, хуже подвергаются переработке, так как при определенной температуре их состав и свойства меняются с повышением жесткости и хрупкости. Эксплуатация материа­лов на их основе при действии ультрафиолетовых лучей приводит к быст­рому старению изделий, следовательно, для торможения этого процесса необходимо вводить добавки-оксиданты. Большинство полимерных свя­зующих обладает ползучестью и относится к сгораемым материалам, вы­деляющим в процессе горения вредные вещества.

При использовании минеральных вяжущих веществ необходимо учитывать условиях твердения и эксплуатации изделий. Например, гипсо­вые материалы твердеют и применяются в воздушно-сухих условиях, твердение составов на портландцементе сопровождается усадочными де­формациями, изделия на его основе обладают низкой кислото- и солестой- костью. Охлажденные стеклорасплавы обладают хрупкостью и низкой термостойкостью. Высокую водостойкость и прочность керамические из­делия приобретают только после высокотемпературного (более 1000 ^оС) обжига в печах.

Основные свойства связующих

Основные свойства связующих представлены в табл. 14.1.

Таблица 14.1

		Основные свойства
			Л		электропровод­ность	прочность		химическая стойкость
Вид связующего	Материл связующего	плотность	термостойкост	теплопровод­ность		изгиб	сжатие	в кислотах	в щелочах	в воде	в органич. раствор.
Органические
Полимерные: темореактив-	Эпоксидная	Н	Н	Н	ди-	С	С	С	В	В	Н
ные	смола				элект.
	Феноло-	Н	Н	Н	-	Н	С	В	В	В	С
	формальде-
	гидная смола
термопла­
стичные:
	Поливинил-	Н	Н	Н	-	С	С	В	В	В	С
	хлорид
	Полиэтилен	Н	Н	Н	-	С	С	В	В	В	С
	Полистирол	Н	Н	Н	-	С	С	В	В	В	С
	Полиуретан	Н	Н	Н	-	С	С	В	В	В	Н
Битумные		Н	Н	Н	Н	С	С	С	Н	В	Н
Минеральные
Глинистое		С	В	С	Н	Н	С	С	С	В	В
Расплавы		В	В	В	Н	С	В	В	С	В	В
Вяжущие	Гипс	Н	В	Н	С	Н	С	Н	Н	Н	С
вещества	Известь	С	Н	Н	С	Н	Н	Н	С	Н	С
	Цемент	С	С	Н	С	Н	С	Н	С	С	С
	Жидкое стекло	С	В	Н	С	Н	С	В	Н	Н	С
Металлы	Медь, алюминий	В	В	В	В	В	В	Н	Н	В	В
	Сталь	В	В	В	В	В	В	Н	С	Н	В

Обозначения: Н - низкое значение, С - среднее, В - высокое.

Прочность композиционных материалов представляет собой сумми­рующий показатель прочностей каждого из компонентов и контактного слоя между ними. Свойства контактного слоя зависят от характера взаимо­действия, которое может быть химическим (самым прочным), физическим за счет молекулярных сил сцепления и механическим. Примером первого может служить введение отощающих добавок при получении керамиче­ских изделий. В подавляющем большинстве прочность сложных по соста­ву материалов обеспечивает совмещение механических связей с физиче­скими - адсорбционными, например, асбестового волокна и стальной ар­матуры в асбестоцементных и железобетонных изделиях. На этом же принципе основывается технология получения пластиков, основных ру­лонных отделочных и кровельных материалов, включающая пропитку ос­новы высокомолекулярными связующими и последующую прессовку или прокатку изделий. Повысить прочность сцепления компонентов можно за счет придания поверхности армирующего элемента шероховатости (ис­пользование щебня в высокопрочных бетонах, гравия в низкомарочных) или рельефности, как, например, при использовании арматуры периодиче­ского профиля. Аналогичного результата можно достигнуть за счет ис­пользования пористого заполнителя и термовлажностной обработки при получении конструкционного легкого керамзитобетона. Как показали ис­следования, ширина контактного слоя в этом случае увеличивается в три раза и составляет около 500 мкм за счет совмещения механического, физи­ческого и химического взаимодействия между цементным камнем и по­верхностью заполнителей.

Работы ученых показывают, что путем подбора элементов (наполни­телей), регулируя их состав, структуру, порядок расположения в материа­ле, характер взаимодействия, а также выбором технологических парамет­ров и методов формования можно целенаправленно изменять свойства композиционных материалов не только на макро-, но и микроуровне. Так, путем введения в стеклорасплав кристаллических соединений металлов, играющих роль микронаполнителей, регулируют структуру стекла на мик­роуровне, получают ситаллы, имеющие аморфно-кристаллическое строе­ние. Эти материалы прочнее и тверже стекла, обладают химической и тер­мической стойкостью.

Прогнозирование свойств получаемых композиционных материалов осуществляют на основании анализа свойств входящих в состав компонен­тов. Расчетные методы прогнозирования свойств очень сложны и пока не­достаточно надежны, поэтому главными критериями соответствия разраба­тываемых материалов предполагаемым условиям эксплуатации являются результаты испытаний модельных и натурных образцов. Для надежной ра­боты композита как единого целого его составляющие должны обладать ря­дом идентичных свойств, являющихся определяющими при эксплуатации, например, по химической стойкости, термостойкости, водостойкости и т.д.

В заключение можно сказать, что к композитам фактически относят­ся все строительные искусственные материалы, которые включают орга­ническое или минеральное связующее, армирующие элементы и добавки, придающие или усиливающие определенные положительные свойства и снижающие отрицательные.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов В.М. Технология бетона. - М.: Высшая школа, 1967. - 415 с.

2. Бариев Э.П., Чеканов В.Л. Пожарная безопасность в строительстве. - Мн.: ООО «ФОНКС», 1996. - 250 с.

3. Белевич В.Б. Кровельные работы. - М.: Высш. шк., 2000.

4. Биоповреждения в строительстве. / Под ред. Ф.М. Иванова, С.Н. Гор- шина. - М.: Стройиздат, 1964. - 320 с.

5. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и эко­логия. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1994. - 265 с.

6. Бурмистров Г.Н. Материалы для облицовки зданий. - М.: Стройиздат, 1986. - 175 с.

7. Верной Н.Н., Колбасов В.М. Технология асбестоцементных изделий. - М.: Стройиздат, 1985. - 400 с.

8. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 320 с.

9. Добавки в бетон: Справочное пособие / Под ред. В.С. Рамачадрана. - М.: Стройиздат, 1988. - 350 с.

10. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник. Т. 2. /Под ред. А.А. Герасименко. - М.: Машиностроение, 1987. - 784 с.

11. Искусственные пористые заполнители и легкие бетоны на их основе: Справочник / Под ред. Ю.П. Горлова. - М.: Стройиздат, 1987. - 301 с.

12. Киреева Ю.И. Строительные материалы и изделия: Учеб. пособие. - Мн.: Дизайн ПРО, 1998. - 192 с.

13. Киреева Ю.И., Лазаренко О.В. Строительные материалы и изделия. Учеб. пособие. - Мн.: Дизайн ПРО, 2001. - 271 с.

14. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. - М.: Стройиз­дат, 1975. - 700 с.

15. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бето­на и железобетона, методы их защиты. - М.: Стройиздат, 1960. - 536 с.

16. Наназашвили И.Х. Строительные материалы, изделия и конструкции: Справочник. - М.: Высшая школа, 1990. - 520 с.

17. Пинчук Л.С., Струк В.А., Мышкин Н.К., Свириденок А.И. Материало­ведение и конструкционные материалы. - Мн.: Вышэйшая школа, 1989. - 461 с.

18. Покровский В.М. Гидроизоляционные работы: Справочник строителя. - М.: Стройиздат, 1985. - 320 с.

19. Поляк М.С. Технология упрочнения. Т. 2. - М.: Машиностроение, 1995. - 520 с.

20. Полляк В.В. и др. Технология строительного и технического стекла и шлакоситаллов. - М.: Стройиздат, 1983. - 432 с.

21. Романенков И.Г., Зигерн-Корн В.Н. Огнестойкость строительных кон­струкций из эффективных материалов. - М.: Стройиздат, 1984. - 310 с.

22. Сафрончик В.И. Защита от коррозии строительных конструкций и тех­нологического оборудования. - Л.: Стройиздат. 1988. - 253 с.

23. Справочник строителя. / Под ред. Л.Р. Маиляна. Т. 1. - Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского ун-та, 1996. - 564 с.

24. Строительные материалы: Справочник. / Под ред. А.С. Болдырева, П.П. Золотова. - М.: Стройиздат, 1989. - 567 с.

25. Устройство полов: Справочник строителя / Под ред. В. А. Анзигитова. - М.: Стройиздат, 1986. - 253 с.

26.Чаус К.В. и др. Технология производства строительных материалов, из­делий и конструкций. - М.: Стройиздат, 1988. - 448 с.

27.Черняк В.З. Уроки старых мастеров. - М.: Стройиздат, 1989. - 240 с.

Учебное издание

КИРЕЕВА Юлия Иосифовна, ЛАЗАРЕНКО Ольга Викторовна