автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Гидрофобизированные грунтоматериалы для сельского строительства

На правах рукописи

Гч. СП

«аг Н? О

00 Язиков

со

о_ с\/

Игорь Константинович

ГИДРОФОБИЗИРОВАННЫЕ ГРУНТОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СЕЛЬСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

05.23.05- Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

г. Новосибирск -1997

Работа выполнена в Новосибирском Государственном аграрном университете

Научный руководитель - А.П.Пнчугин, кандидат технических

наук, профессор.

Официальные оппоненты: - В. И. Белан доктор технических наук,

профессор,

Б. В% Ткачёв, кандидат технических наук.

Ведущее предприятие - трест "ЗапСибтранссгрой" (А О ОТ)

Защита состоится 25 ноября 1997 года в 15.00 час. На заседании диссертационного Совета К 064. 04. 01 при Новосибирском Государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 630005 г. Новоси-бирск-8 ул. Ленинградская, 113, учебный корпус, аудитория 306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 21 октября 1997 года.

Учёный секретарь диссертационного Совета. Кандидат технических наук

Т.Ф. Каткова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Применяемые в сельскохозяйственном строительстве традиционные материалы (древесина, бетон, камень, кирпич, асфальтобетон и т.п.) далеко не полностью удовлетворяют требованиям технологии и экономики.

Актуальность задачи возрастает при переходе к рыночным отношениям, сопровождающимися значительным увеличением энергетических и транспортных затрат.

Поэтому, вопрос изыскания эффективных материалов для сельскохозяйственного строительства, отвечающих эксплуатационным требованиям, приобретает важное значение.

Решение данной задачи может быть реализовано применением в качестве строительного материала наиболее распространенного в природе компонента - грунта.

Известно, что взаимодействие грунтовых частиц может осуществляться за счёт сил магнетизма при прохождении через плёнку воды, окружающую каждую частицу. Чем эта плёнка будет тоньше, тем взаимодействие частиц более активное. Поэтому проблема создания материалов на основе неукреплённых грунтов должна ориентироваться иг технологии, связанными с уплотнением исходной массы с организацией последующей консервации изделий для стабилизации их свойств. В этом направлении и была проведена данная диссертационная работа, которая выполнялась по плану отраслевой ведомственной программы 01.87.0.001.003 Госагропрома, тема ХГУ "Разработать методы повышения долговечности и эффективности работы строительных конструкций сельскохозяйственных зданий и сооружений".

Цель работы.

Разработка материалов с гидрофобной защитой на основе неукреплённых грунтов Западной Сибири и технологии их производства.

Задачи исследования.

• изучить состав и свойства грунтов, пригодных для неукреплённых строительных материалов;

• подобрать оптимальные режимы и способы получения и определить технологические параметры изготовления строительных материалов с использованием математических методов планирования эксперимента;

• изучить физико-механические свойства новых конструктивных материалов из грунта^ их долговечность и особенности влагопоглощения и влагоотдачи изделий в условиях эксплуатации;

• сделать прогнозную оценку долговечности нового конструктивного материала и определить перспективы его применения в сочетании с другими технологиями;

• провести опытно-промышленные испытания и внедрить разработанную технологию изготовления гидрофобизированных изделий в производство;

• разработать нормативную документацию на производство строительных материалов на основе грунта для сельского строительства и дать технико-экономическую оценку выполненной работы.

Научная новизна.

¡.Установлено, что при определённых параметрах давления и влажности грунта в последнем за счёт сил внутреннего взаимодействия происходит самоупрочнение структуры, что позволяет использовать полученные изделия в качестве строительных материалов.

2.Доказано, что создание влагопоглощающего слоя из минерального вяжущего на поверхности отформованного изделия из грунта способствует не только упрочнению структуры, но и создает адгезионно способную поверхность для нанесения плёнкообразующего гидрофобного материала.

3.Выявлено упрочняющее взаимодействие за счёт диффузионных процессов структурных слоев в гидрофобизированном изделии на границах: грунт - переходный слой - водопоглощающий материал - гидроизоляция; при этом отмечено, что используемое в качестве водопоглощающего материала минеральное вяжущее выполняет роль центра кристаллизации структуры грунтомитериала в переходном слое.

4.Определены оптимальные параметры технологического процесса получения изделия из грунта и изучены их физико-механические и физико-химические свойства

Научная новизна представленных данных подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения №,№ 1470506 А. 1, 1728181 А. 1

Практическое знамени? работы.

Получены новые материалы на основе грунта, самого распространенного местного сырья для различных видов строительства - от оснований фундаментов до теплоизоляции различных сооружений, обладающих достаточной долговечностью. Использование грунта для строительства позволяет решить и экологические вопросы по исключению выбросов в атмосферу, воду и почву вредных отходов производства при изготовлении других подобных материалов.

Разработаны Временные Технические условия на изготовление и эксплуатацию материалов с применением грунтов. На основе теоретических и технологических разработок с участием автора разработана нормативная документация по изготовлению материалов на основе грунта. Конструкторский коллектив ВПТИ Трансстрой совместно с автором разработал конструкторскую документацию и по ней заводом Сибсельмаш изготовлены 4 передвижные установки по изготовлению грунтоблоков с гидрофобной защитой производительностью 2700 блоков в смену.

С использованием одной установки изготовлено достаточное количество изделий для испытания в опытно-производственном строительстве и испытаний конструкций из изделий по заданию и методике Госстроя России. Проведено экспериментальное строительство жилых домов с фрагментами стен из гидрофобизированных грунтоблоков, около 700 м2, при этом экономический эффект составил 48,1 млн.руб.

Апробация работы.

Результаты по отдельным разделам диссертации и всего комплекса исследований докладывались и обсуждались на:

13 международных научно-технических конференциях

"Повышение долговечности и эффективности работы и конструкций сельскохозяйственных зданий и сооружений". - Челябинск, 1990 - 1994гг.

Я научно-технической конференции "Использование отходов промышленности в производстве строительных материалов". -Новосибирск, 1993г.

0 научно-технической конференции профессорско-

преподавательского состава НГАУ "Проблемы науки и производства в условиях аграрной реформы". -Новосибирск, 1993г.

ЕЗ на юбилейной региональной научно-практической конференции "Проблемы АПК в условиях рыночной экономики", - Новосибирск, 1996г., а также на других научно-технических конференциях и семинарах в 1985-1997гг.

Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 15 печатных работах.

Структура и объём.

Диссертационная работа изложена на 125 страницах основного текста, содержит 34 рисунков, 13 таблиц и состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографии, включающей 128 отечественных и зарубежных источников и приложений.

Основное содержание работы.

Во введении обосновывается постановка диссертационного исследования, показывается необходимость использования грунта, как местного, экологически чистого материала, требующего меньше средств и труда для изготовления изделий на его основе. Доказывается научное направление и практическая значимость работы. Отмечено внедрение полученных результатов от разработки грунтоматериалов до конструирования и изготовления опытно-промышленных установок для производства изделий на основе грунта.

Первая глава посвящена обзору литературы по использованию строительных материалов на основе грунта. Дана характеристика и анализ грунтов и их распространённости на территории Западной Сибири. Показывается возможность использования для создания на их основе строительных материалов и теоретические обоснования на основе теоретических разработок предшественников и практики строительства.

Современные представления о работе сооружений из грунта сводятся к схемам:

а. Слабый грунт армируется высокопрочными диафрагмами, послойно укладываемыми в горизонтальном направлении (армированные грунты), где взаимодействие между грунтом и армирующими элементами обеспечивается за счёт сил трения, вызванного гравитационными силами.

б. Введение в грунт вяжущих веществ позволило создать новые виды материалов для строительства - укреплённые грунты, где используются силы взаимодействия связующего с частицами грунта.

Укреплением грунтов начали заниматься ещё древние строители. Параллельно шёл процесс развития теории и её практического применения. В отличии от металлов и бетонов грунт является более неоднородным и дискретным материалом, состоящий из малосвязанных (по сравнению с прочностью самих частиц) или совсем несвязанных друг с другом (песок) частиц. Отсюда и самый распространённый подход в теоретических построениях модели грунтов - как состоящих из шарообразных частиц несцепленных, и как сплошная среда (теория Кулона).

Первые теоретические представления, как о теле плотной упаковки, состоящей из шарообразных частиц (зёрен) была теория давления грунта на подпорную стенку Купле, опубликованная в Париже в 1726 году. Известный французский физик Ш.О.Кулон усовершенствовал решение Купле. Теория Кулона (1773г) базируется на дискретном теле. Винклер в 1867г выдвинул аналогичную гипотезу, в которой деформацию грунтов считал упругой. В 1883г Ж.В.Бусинек пришел к выводу, что закон распределения напряжений связан со структурой грунта. К.С.Тернецкий предложил рассматривать грунт, учитывая его структуру и её влияние на распределение давления в грунте. Представляя реальные частицы грунта по форме между шаром и кубом, он построил предельную схему распределения давления в грунте. Ими-

-Ь-

тационньге модели для решения задач в зернистых средах нашли своё отражение как в работах наших учёных: Горюнова Б.Ф.,Златоверховникова Л.Ф., Матвеева В,П. так и работах американского учёного Харра М.Е., чехословацкого учёного Я.Феда и других.

Ещё более сложная модель укреплённого грунта. Задача облегчается только тем, что при заполнении пустот связующими материалами структура грунта хотя и остаётся по прежнему пористая, но связи между агрегатами и мнкроагрегатами устанавливаются уже благодаря физическим и химическим процессам происходящим в системе грунт-вяжущее, грунт представляется как тело плотной упаковки.

Установлено, что на поверхности частиц имеется слой адсорбированных катионов, которые способны обмениваться на катионы раствора, с которыми соприкасаются частицы обладающими поглотительной способностью. Это даёт возможность при воздействии на грунт вяжущих материалов изменять его физические, химические и механические свойства. Дальнейшие исследования выявили влияние на укреплённый грунт степени выраженности кислой и щелочной среды. Установлено, что при значениях рН менее 4,5 грунты непригодны для укрепления их портландцементом.

Физические и химические процессы, протекающие в укреплённых грунтах показывают сложную взаимосвязь самого состава грунтов, укрепляющих материалов, взаимодействие уплотнения, климата и внешних нагрузок. Описать такую проблему задача трудноразрешимая, тем более при взаимодействии на неё различными физическими и химическими способами.

Взаимодействуя на грунт различными факторами (давлением, вибрацией, замораживанием и т.д.) и химическими веществами (вяжущими органического и неорганического происхождения, полимерами) до настоящего времени не смогли получить стабильных по качеству и экономически выгодных материалов. Полученные конструктивные строительные материалы, отвечающие требованиям строительного дела, по затратам труда и энергии, подготовке сырья, трудностям объединения компонентов, выдержке готовых изделий в определённых условиях температуры и другим показателям не являются конкурентоспособными в сравнении с традиционными материалами. Все эти недостатки могут быть в большей мере устранены, если использовать другие подходы к решению задачи получения строительного материала на основе грунта. Известно, что взаимодействие грунтовых частиц может осуществляться за счёт сил магнетизма при прохождении через плёнку воды, окружающую каждую частицу. Чем эта плёнка будет тоньше, тем взаимодействие частиц будет более активное. Поэтому проблема создания материалов на основе грунта должна ориентироваться на технологии, связанные с уплотнением исходной массы с последующей консервацией изделий для стабилизации полученных свойств.

Технология производства грунтоизделий по этому принципу предполагает уплотнение грунта для придания изделию формы и создания возможности последующего нанесения водопоглощающего и изолирующего слоев.

В связи с этим сформулированы цели и задачи исследования, приведено теоретическое обоснование предложенного способа производства изделий на основе грунта.

Во второй главе описываются характеристики применяемых материалов для получения конструктивных изделий на основе грунта. Для исследования выбраны наиболее распространённые грунты в Западной Сибири и определен наиболее оптимальный и наиболее распространённый грунт - суглинок пылеватый. Для исследования использованы наиболее изученные материалы со стабильными свойствами. Приведены их основные физические и механические свойства их достоинства и недостатки. В качестве влагопогло-щаюшего и упрочняющего материала применён цемент МЗОО Искитимского завода Новосибирской области. Для придания поверхности изделия из грунта водостойкости использовались битум нефтяной дорожный и латекс СКС-65ГП. Химический состав основных компонентов приведён в табл.1.

Образцы изготавливались по стандартным методикам следующих размеров: диаметр образца 50мм, высота образца (h) 50мм 0,5мм. В пресс-форме образцы изготавливались в соответствии с размерами стандартного кирпича 250 *120 * 65мм , а также для оперативного испытания изготавливались образцы уменьшенного размера в специально изготовленной прессформе 120 *72 *32 мм и 120 * 72 * 65 мм .

Анализ структуры полученных изделий проводился на основе рентгеноструктурного, дифференциального термического и микросгруктурно-го анализов, а также фотоэлектроколориметрического и химического анализов.

Для исследования свойств и оптимизации основных параметров полученных изделий: давления формования, влажности формования, гвдро-фобизирующего вяжущего использовалась методика полного факторного эксперимента.

В третьей главе изложена технология получения гидрофобизиро-ванных изделий на основе грунта.

Технология производства грунтоблоков с гидрофобной защитой включает в себя следующие процессы и операции: забор грунта из массива, заполнение прессформы и предварительное уплотнение для придания требуемой формы, нанесение гидрофильного покрытия, повторное формование, создание плёнкообразующего покрытия. На каждом этапе обработки грунта до получения готового изделия устанавливались рецептурно-технологические параметры и пределы для достижения оптимальных характеристик. Согласно предложенной схемы получения грунтоблоков важным этапом являлся "процесс формирования, который состоит из операций предварительного и окончательного давления. На начальной стадии исследовались грунты различной

Таблица № 1

Химический состав исходных материалов.

Наименова ние н2о п.п.п 8ю2 а1203 т<,02 ре203 р2о5 мпо сао Ыа20 кзо 8в Сумма

суглинок тяжелый - 9,05 60,9 18,89 0,83 5,37 0,22 0,04 0,73 1,03 1,00 2,18 0,02 ■ 100,26*

глина пылеватая ■ 7,45 62,94 16,75 0,71 4,41 0,29 0,02 1,08 0,83 1,22 2,69 0,02 - 98/)'

супесь пылеватая 0,17 2,38 79,84 8,04 0,38 2,29 0,06 0,04 2,11 0,65 2,00 2,11 0,02 100,09

супесь легкая 0,64 7,27 60,93 12,84 0,69 4,32 0,13 0,08 5,35 1,73 1,90 2,09 0,02 97,99

супесь пылеватая 0,74 4,10 67,72 12,82 0,76 5,38 0,14 0,08 2,42 1,53 2,26 1,88 0,02 > 99,85

портландце мент Чернорече некий 29,30 7,36 0,45 3,45 0,13 0,10 54,4 7 1,56 0,13 1,07 1,53 99,55

пше строительный 20,9 32,6 46,5 100,00

влажности и определялась прочность изделий после снятия давления. При этом изучались свойства различных типов глинистых грунтов: глины, суглинки, супеси. Результаты зависимости начальной прочности грунтоблоков от влажности грунта представлены на рис 1. Отмечено для всех грунтов наличие оптимальной влажности в интервале от 8 до 12 %, соответствующее максимальной прочности при стабильном значении (ЮМПа) давления формования. При других параметров начальной влажности прочность грунтоблоков несколько ниже, особенно для супеси, предел прочности которой ниже 0,4 МПа -минимально необходимой по условиям дальнейшей технологической обработки. Для грунтоблоков из глины пределы влажности по этим условиям от 4 до 18%.

Очень важным моментом получения строительного материала на основе грунта является выбор оптимального давления формования с учётом влажности исходного сырья, минимальности энергетических затрат и достаточности начальной прочности грунтоблоков.

На рис 2. показаны зависимости начальной прочности грунтоблоков от давления формования для различных видов грунта оптимальной влажности. Анализ кривых показывает достаточно высокую формуемость глины и суглинка по сравнению с супесью, формование изделий из которой до достижения минимально необходимой начальной прочности требует вдвое, втрое большего давления.

Отмечено, что снижение влажности требует значительных усилий для получения грунтоблоков. Увеличение влажности приводит к снижению показателей начальной прочности до определённых пределов, а при переувлажнении сырьевой массы формирование изделий затруднено из-за избытка влаги.

С учётом ранее исследованных процессов, изучалось влияние степени уплотнения грунта на прочность грунтоблоков. При этом из различных видов грунта формировались изделия различной степени плотности и определялась их начальная прочность. Установлено, что при плотности грунтоблоков свыше 1900кг/м3 их начальная прочность соответствует минимально необходимым параметрам, т. е. свыше 0,4-0,5 МПа. Для суглинистых грунтов требуем,ые значения прочности получены при значениях плотности 1950-2000кг/м3.

Изучалось также влияние способа и времени приложения давления на качество и эффективность уплотнения изделия из грунта, для чего применялись следующие виды уплотнения: ударное, вибрационное, ударно-вибрационное, статическое с вибрационным, статическое. Наилучшие показатели получены при ударном воздействии и вибрационно-ударном способе.

Изменение влажности грунта существенно сказывается на его переуплотнении. Так при влажности 6% для получения степени уплотнения 1,1 (от естественного сложения) требуется давление не менее 10-12 МПа. В то же время при влажности 12% такая степень уплотнения достигается при давлении

5-7МПа, а при 10-12МПа коэффициент уплотнения доходит до 1,2. Таким образом, основываясь на результатах опытов полученных на начальном этапе формирования грунтоблоков, были сделаны выводы о рациональных параметрах исходной влажности грунта (6-12%) и давлении формования: 2-4 предварительное для придания формы изделию и 8-12МПа - окончательное после нанесения влагопоглощающего материала. Наиболее приемлемыми грунтами в технологическом плане приняты суглинистые.

Для получения адгезионно способной поверхности на изделиях из грунта использовались различные влагопоглощающие материалы: минеральный порошок, гипс, цемент. Адгезия изучалась для различных видов грунтов и различных гидрофобизирующих материалов. Изучение адгезионной способности и проницаемости гидрофобного покрытия выполнено в широком интервале влажности, давления, температур и других факторов. Наилучшим минеральным влагопоглощающим компонентом принят цемент (табл 2), а в качестве гидрофобной защиты латекс и битум (табл 3)

Таблица. 2 Показатели адгезии покрытий

Гидрофобное покрытие Адгезия влагопоглощаюшего слоя, МПа

без влагопоглощающего слоя подсушка 7 дней минеральный порошок гипс цемент

Жидкое стекло 0,.001 0,05 0,02 0,03 0,.04

Битум 0,002 0,01 0,02 0,07 0,15

Латекс 0,004 0,08 0,04 0,05 0,10

Каменноугольная смола 0,002 0,05 0,02 0,03 0,08

Таблица 3.

Адгезионная способность поверхности изделий из грунта.

виды грунта Адгезия ,МПа

без влагопоглощающего материала минеральный порошок гипс цемент

Супесь 0,005 0,04 0,09 0,12

Суглинок 0,004 0,06 0,12 0,14

Глина 0,001 0,08 0,14 0,18

Дсж, МПа

1.0

0,8 0,6 0,4 0,2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 % Рис. 1 Зависимость начальной прочности грунтоблоков от влажности фунта (при давлении формования ЮМПа): 1 - глина; 2 - суглинок; 3-супесь. 1..2

1,0 0,8 0,6

0,4

0,2 Ясж, МПа.

4 8 12 16 20 24 28 32 36

Р,МПа

Рис.2 Зависимость начальной прочности грунтоблоков от давления формования (при влажности грунта 10%): 1-глина, 2-суглинок ,3-супесь

Подтверждением ранее сделанных выводов явилось проведение корреляционно-регрессионного анализа обработкирезультатов опытов, охва-тываюего взаимосвязь прочности гидрофобизированных блоков от давления и влажности грунта, а также вида и способа создания гидроизоляционного покрытия с учетом формирования влагопоглощающего слоя. При этом получено следующее уравнение

У= - 2,794 + 0,085Х] + 1,57х2 где: У- прочность ,МПа

Х1 - давление формования, т Х2 - объёмная масса грунтоблока, г/см3 с учётом оптимизации технологических параметров были получены оптимальные гидрофобизированные изделия на основе грунта и изучены их основные свойства (табл 4 )

Важнейшим выводом данных исследований явилось получение изделий со стабильными качественными характеристиками практически из любых видов грунтов, при минимальных энергетических затратах и исключении затрат на транспортировку к месту строительства.

Таблица 4

Свойства гидрофобизированных изделий на основе грунта.

Физико-механические свойства Оболочка Требования СН 25-74 к укр пленным грунтам

из латекса из битума

Предел прочности при сжатии неводо-насыщенных образцов при 1=20°С, МПа 3,2-4,4 3.7-6,3 1,2-1,5

Предел прочности при сжатии водона-сыщенных образцов при 1=50°С,МПа 0,9-1,4 2,2-3,6 0,7-0,9

Предел прочности при сжатии водона-сыщенных образцов при 1=20°С,МПа 1,4-2,2 2,8-3,8 0,4-0,7

Набухание в % 4-5

Капиллярное водонасыщение,% объема 3,0-4,1 1,6-1,7 3-5

Коэффициент морозостойкости 0,64-0,7 0,93-0,95 0,6-0,7

-Н-

Четвёртая глава посвящена изучению влияния эксплуатационных качеств на свойства и структурные изменения изделий из грунта.

Изменение влажности изделий во времени ведёт либо к уменьшению, либо к увеличению прочностных характеристик. Результаты исследования (рис 3) позволяют сделать выводы, что при воздушном хранении без увеличении влажности воздуха происходит постепенное уменьшение влажности изделия, благодаря гидратации и диффузии влаги через гидрофобную оболочку. Влажность изделий без гидрофобной защиты резко понижается, особенно в первоначальный период от 1-7 суток, затем этот процесс замедляется в следствие понижения общей влажности изделия и увеличения пути движения влаги изнутри конструктивного материала и после 120 суток влажность устанавливается на уровне 1,4-1,5% и далее с течением времени колеблется вокруг этой величины в зависимости от влажности воздуха. Уменьшается влажность и под битумной и латексной оболочками. Характер этого уменьшения достаточно плавный. При той же исходной влажности 10,4% в те же 120 дней влажность изделий уменьшается до 8% под битумной и до 3,5% под латексной оболочками. Обращает на себя внимание и тот факт, что конечная влажность изделий с битумной оболочкой после 240 суток устанавливается на более высоком уровне 3,2-3,3% и 1,5-1,6% с латексной (как более пористой).

При нахождении изделий с битумной оболочкой в условиях постоянного контакта с грунтовыми водами происходит увеличение влажности изделий с 11% до 13% за 120 дней, затем процесс замедляется и влажность остаётся практически постоянной через 240 дней в пределах 13,5-13,6%.

Сложнее влияние попеременного увлажнения и высушивания при нахождении грунтоблоков в грунте, где сказываются изменения влажности грунта во времени, оказывающие влияние на колебания влажности внутри изделия (отдельные пики), т.е. кратковременное увеличение или уменьшение влажности не сказываются на свойствах изделий, что позволяет сделать вывод о влагоудерживаюшей способности грунтоблоков.

Исследования влияния деформативных свойств показало, что усадочные деформации прекращаются через 20-28 суток. В тоже время при воздействии эксплуатационных нагрузок деформативные характеристики грунтоблоков находятся в пределах 0,1-0,6мм/м.пог., что значительно ниже усадочных изменений (рис 4.)¿").

Важную роль играет сопротивление материала перепадам температур, особенно во влагонасыщенном состоянии. Поэтому были проведены комплексные исследования влияния температурных факторов и морозостойкости на качественные характеристики гидрофобизированных изделий. Установлена стабильность прочностных свойств материала от 0 до 100°С и некоторое увеличение прочностных характеристик при отрицательных температурах до -40°С. По морозостойкости гидрофобизированные грунтоблоки выдерживают не менее 50 циклов попеременного замораживания и оттаива-

Т,время,сут.

Рис.ЗИзменение влажности изделий из грунта во времени. Воздушно-сухое состояние:

1. Битумное покрытие 4. Нахождене в воде (битумное

2. Латексное покрытие покрытие)

3. Неизолированное 5. Нахождение в грунте с ест.

влажностью.

Рис 4. Относительная деформация грунтоблоков при эксплуатационных нагрузках во времени.

1-латексное покрытие, 2-битумное покрытие,3-без гидрофобного покрытия. Примечание: со штрихом - для подземной части.

ния с латексной изоляцией и не менее 80 с битумной./? пятой главе раскрыты механизмы формирования структуры материала из грунта с гидрофобным покрытием и сделано объяснение стабильности свойств изделий. С этой целью было проведено моделирование возможных вариантов структурных слоев, которые могут быть разделены следующим образом: защитная оболочка из битума или латекса, слой из цементного камня, переходный слой из переуплотнённого фунта, внутренний грунтовый массив. Каждый структурный слой был изучен по следующим показателям: микротвердость, плотность, прочность, водопоглощение и т.д. Кроме того были проведены физико-химические исследования: дифференциально термический, рентгенострук-турный, микроструктурный анализы и фотоэлектроколориметрия.

Для каждого вида исследований готовились образцы, соответствующие методикам приборов и ГОСТам (шлифы, гранулы, порошки, растворы).

Одной из важнейших характеристик долговечности гидрофобизи-рованных грунтоблоков при использовании их в качестве элементов зданий и сооружений является адгезия гидрофобного покрытия к грунту в целях недопущения отслоения гидроизоляционного слоя от подложки.

Для изучения адгезии цементной оболочки к грунту и битумной и латексной оболочек к цементному камню использовался метод фотоэлектро-колориметрии. Адсорбционная активность различных материалов, применяемых для защиты грунтовых блоков, а так же определение относительной величины адгезии дало возможность установить качество взаимодействия элементов оболочки между собой и с грунтом.

В результате воздействия внешних климатических факторов, агрессивных сред или механических повреждений оболочки гидроизоляция может быть нарушена. В целях определения воздействия внешних факторов на величину и изменение адгезионной связи, образцы подвергались воздействию ацетона в течении 0,1 часа, 1,0 часа.

После обработки ацетоном поверхности грунтоблока краситель интенсивнее проникал внутрь материала в зависимости от вида гидроизоляции и её способности создавать прочный контакт с цементной оболочкой. В табл5. представлены показатели адгезии битумной и латексной оболочек к цементной оболочке после воздействия агрессивной среды.

Исследования показали что разрушение латексной оболочки в пределах 5% не затрагивает грунтового массива; 10%и более приводит к разрушению цементной оболочки, о чём свидетельствует увеличение адсорбции красителя, но повреждения эти не приводят к разрушению грунтоблока.

Разрушение битумной оболочки в пределах 3% не вызывает серьёзных изменений в структуре грунтоблока. При 10% и более начинается отслоение битумной оболочки, что подтверждается увеличением адсорбции красителя.

Табл 5.

Адгезионные свойства конструктивных слоёв_

№ п/ п Наименование материала конструктивного слоя Адсорбция Открытая поверхность Приращение открытой поверхности 5=5о1-5о Адгезия % А=100- Б

ао % эа % эп % до воздействия ацетона Бо после воздействия ацетона Бо1

1 Битум Битумная оболочка: воздействие ацетона 0,0 час 0,1 час 0,5 час 1,0 час 2,0 час 1,06 - - - - -

- 1,95 1,95 1,84 1,84 0,00 100,0

2,12 1,84 2,00 16,0 84,0

2,48 1,84 2,34 50.0 50,0

2,65 1,84 2,50 66,0 34,0

3.01 1,84 2,84 100,0 0,00

2 Латекс Латексная оболочка: воздействие ацетона 0,0 час 0,1 час 0,5 час 1,0 час 2,0 час 1,95 - - - - - -

3,36 3,36 1,72 1,72 0,00 100,0

3,71 1,72 1,90 18,0 82,0

3.89 1,72 1,99 27,0 73,0

3.89 1,72 1,99 27,0 73.0

4,42 1,72 2,27 55,0 45,0

Такое положение согласуется с изменением влажности внутри грунтоблока при различных видах гидроизоляции поверхности. Она значительно выше на границе с битумной оболочкой вследствие меньшей водопроницаемости, по сравнению с латексной. Отмечается, что латексная защитная оболочка под воздействием ацетона без подложки из уплотнённого цементного слоя полностью разрушается в течении 0,5 часа, а с подложкой сохраняется без видимых изменений, что может свидетельствовать о протекающем физико-химическом взаимодействии.

Различие адгезионной способности как материалов, так и конструктивных слоев из них показывает, что лучшие показатели адгезии имеет латексная оболочка с подложкой из цементного камня, а наибольшая адгезия проявляется в цементогрунтовом слое с его многообразным минералогическим и химическим составами.

Для более полного объяснения природы и кинетики химических процессов в многокомпонентных системах гидрофобизированных грунто-блоков использован дифференциальный термический анализ в сочетании с физико-химическими методами исследований.

Наличие оболочек на изделии из грунта - водопоглощающей и гидрофобной - создает условия взаимодействия слоев между собой и грунтом и тем самым повышает устойчивость поверхности изделий от всевозможных воздействий природного и техногенного характера.

Идентичность характера кривых ДТА, ДТГ, ТГ подчёркивает единообразие их минералогического характера. Эндоэффект с максимумом при 120-130°С соответствует удалению адсорбционной и межплоскостной воды. Экзотермический эффект при 320-360°С и потеря массы (0,75-0,83%) вызывается процессами, происходящими при твердении портландцемента, переходом от аморфного состояния в кристаллическое, перекристаллизацией веществ.

При 560-675°С происходит потеря воды в решётках гидрослюдистого и каолинитового минералов, а при 600-700°С хлорита и части гидрослюд.

Наличие эндотермического эффекта при 550-820°С связано с кар-бонатностью суглинков, что увязывается с потерей массы. В то же время величина высокотемпературных эндоэффектов на термограммах этих образцов наблюдалась при температурах в интервале 720-850 С.

(120-150°С) - явление дегидротации;

(340-400°С) - полиморфные превращения СаСОз;

(530-540°С) - каолинит;

(790-850°С) - диссоциация карбонатов с потерей С02

Продукты взаимодействия цемента и грунта значительно интенсивнее сорбируют чем грунт и цемент в отдельности. Это объясняется тем, что вследствие хемосорбционных процессов, протекающих при взаимодействии извести (выделяющейся в результате гидратации цемента) с частицами

грунта возникают новообразования, отличающиеся разрыхлённостью структур с повышенной сорбционной способностью

Этот вывод согласуется с исследованиями М.Н.Хигеровича, показавшего, что процесс твердения глинисто-известкового вяжущего сопровождается изменением во времени количества свободной извести и что часть её связывается суглинистым грунтом химически. (Об этом говорят всплески кривых ДТА и последующий химический состав по средам, а также изменение структуры.)

С течением времени, когда влажность изделий понижается, частицы гидроксила кальция способствуют укрупнен™ соприкасающихся с ними глинистых частиц. (Коагулирующее действие извести на глину устанавливалось непосредственно опытами по скорости осаждения взвеси в воде).

Глинистые частицы содержат различные водные алюмосиликаты, диоксид кремния в виде тонкого кварцевого песка, а также соединения железа и некоторых других металлов.

При нагреве до 500-800°С водные алюмосиликаты дегидратируются, образуя продукты с разрыхленной структурой частиц. Такая же структура характерна и для оксида кальция. Таким образом, оба вещества характеризуются значительной реакционной способностью.

При 900-1000°С возникают реакции в твёрдом состоянии (благодаря усиленному тепловому движению молекул), а это приводит к образованию низкоосновных алюмината и силиката кальция вСаО*А12Оз и гСаОБЮз.

Путём микроструктурных и рентгеноструктурных исследований установлено, что при температурах от 1000-1020°С известь реагирует с диоксидом кремния, образуя низкоосновный силикат кальция. С увеличением длительности воздействия указанного интервала температур происходит дальнейшее насыщение силиката оксидом кальция.

Особенности эффективного твердения цементной оболочки обусловлены следующим: один из минералов цементного клинкера - трёхкаль-циевый силикат (алит) в процессе гидролиза выделяет гидрат окисида кальция и поскольку его растворимость по сравнению с оксидом кальция невелика (1,3г/л) происходит быстрое насыщение раствора известью, что замедляет дальнейшую гидратацию алита. Растворённый аморфный кремнезём грунта при формовании под давлением связывает гидрат оксида кальция в гидросиликаты кальция, создавая тем самым условия для гидролиза новых порций алита.

Таким образом в зоне взаимодействия грунта и цементной оболочки гидратация зёрен цемента протекает быстрее и полнее. Это позволяет укреплять контактный слой грунта и цементной оболочки на глубину 0,8 -1,0см., о чем свидетельствует изменение химического состава грунта по глубине грунтоблока.

-(Г-

В местах контакта грунтовых частиц с цементом в результате физико-химических взаимодействий образуются зоны с изменёнными свойствами. Толщина этих зон со временем увеличивается за счёт диффузионного проникновения продуктов гидролиза и гидратации цемента внутрь грунтовых частиц или агрегатов.

Важнейшие минералы - силикаты ЗС^ВЮ2 и алюминаты 3 Сай\1203 кальция- при формовании и выдавливании влаги наружу к цементной оболочке подвергаются гидролизу и гидратации с образованием гидросиликатов гС^БЮгбНгО, гидроалюминатов ЗСг0\.ЬО36Н2О и гидрата окиси кальция Са(ОН)2. Продукты гидратации представляют собой практически нерастворимые в воде соединения. Прочность цементной оболочки обуславливается в основном наличием двухкальциевого гидросиликата. По результатам химического и рештенострукгурного анализа образцов грунтоблоков с гидрофобной защитой, отобранных по слоям сформованной структуры, из которых отчётливо виден характер характер изменения массового состава оксидов.

5.'1). Так изменение БЮг под битумной оболочкой варьирует в пределах от 55,7 для цементного камня до 67,72% для грунта внутри образца. Следует отметить снижение содержания данного оксида не только для цементогрун-та, но и для переходного слоя, что подтверждает ранее высказанное положение о диффузионных процессах в системе. Данный вывод хорошо согласуется с результатами рентгеноструктурного анализа,который подтвердил изменение минералогического состава в переходном слое с образованием полевых шпатов Ыа-К-состава и образованием глинистых минералов.

При формовании изделий из грунта под латексной оболочкой изменения в минералогическом составе менее значительны, что является закономерным в результате малого содержания влаги при формировании структуры в поверхностном слое. Следует также отметить значительное снижение перепадов химического состава по отдельным оксидам для грунтоблоков с латексной защитой.

Комплексный анализ результатов рештеноструктурных и химических исследований позволил зафиксировать наличие структурообразующих факторов в системах грунтовых изделий, особенно при формировании промежуточного переуплотнённого грунтового слоя, что подтверждается не только образованием новых минеральных фаз, но и комплексом физико-механических свойств получаемых материалов и их долговечностью.

Проведённое изучение микроструктуры материала позволило окончательно объяснить структурные превращения в изделиях на основе грунта с гидрофобной защитой и установить наличие адгезионной связи между отдельными слоями, а также важность и необходимость каждого слоя, обеспечивающих совокупность положительных качеств грунтоблоков.

ГидЬфобизированные изделия на основе грунта изготавливаются на месте будущего строительства. В отрываемом котловане устанавливается передвижная установка. Грунт подаётся в приёмный бункер и после предва-

-/<?-

рительного измельчения попадает на автоматическую линию, где распределительным устройством направляется в форму. Предварительно отформованный грунтоблок поступает в камеру, где происходит напыление на поверхность водопоглощающего материала (цемента) и далее в форму для окончательного формования и уплотнения давлением от 6-14МПа. Отформованный и уплотнённый грунтоблок поступает в камеру гидрофобизации, после чего осуществляется подсушка боковыми вентиляторами. Готовые изделия складируются или укладываются непосредственно в конструкцию: фундамента, стены или пола.

Для функционирования вышеуказанной схемы технологического процесса были отработаны все технологические операции и их последовательность. При средней производительности механизированной установки 400 грунтоблоков в час требуемый объём грунта в смену составляет 15-20 м3. Срезка и подача грунта производится при разработке котлованов как обычным экскаватором с прямой или обратной лопатой, так и шнековым или роторным устройством с транспортёром непосредственно в бункер по технологической схеме и последовательности операций.

Процесс нанесения влагопоглощающего материала осуществляется в камере с избыточным атмосферным давлением, за счёт нагнетательного устройства, для создания псевдоожиженного слоя, что позволяет быстро и равномерно наносить материалы на поверхность. Цикл занимает 1,5-2 сек.

Гидрофобное покрытие образуется путём прохождения отформованных изделий по наклонным роликам транспортёра через ванну с гидрофобной жидкостью.

Для создания тонкой плёнки на грунтоблоке требуется не более 2-3 сек. При этом излишняя жидкость стекает и скатывается по наклонному желобу обратно в ванну. Скорость движения роликового транспортёра рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить прохождение через гидрофобный материал не менее 400 грунтоблоков в час. На выходе из установки изделия подвергались интенсивной сушке вентиляторными установками. Процесс подсушки регламентируется состоянием поверхности гидрофобного покрытия до отлипа и составляет для битума 10-20 сек, а для латекса 45-60 сек.

Самоходная установка разработана ВНИПИ Трансстроя с участием автора (технологическая часть и прессовое оборудование) имеет производительность 400 штук в час.

.Установка состоит Из бункера, автоматического распределительного устройства, кондуктора, пресса мощностью 50 тонн, способного обеспечить давление 5-7,5 МПа. Источник питания - двигатель автомобиля ЗИЛ-131, на базе которого смонтирована установка.

Другой вариант установки изготовлен с источником питания -электродвигатель мощностью 26квт. Установка изготавливалась в опытно-механических мастерских института полупроводников СОР АН.

Испытания гидрофобизированных грунтоблоков проводились по методике центрального научно-исследоватеьского института строительных конструкций им. Кучеренко. Были выполнены фрагметы кладок размером 510*378*1100мм в его филиале в районе ОбьГЭС г.Новосибирска, материал грунтоблоков: супеси пылеватые, суглинки тяжёлые, глины лылеватые.

Согласно СНиП 22-81 для каменных и армокаменных конструкций кладка из гвдрофобизированных грунтоблоков выполнялась в районах Новосибирской области для малоэтажного строительства - одно, двухэтажного без армирования; с армированием область применения грунтоблоков можно существенно расширить.

При производственной программе по Новосибирской области 5000 квартир в год общий годовой экономический эффект составит при замене кирпичных стен на грунтоблоки 46140-98050 тыс.руб., а при замене керамзи-тобетонных 40540-86145 тыс.руб., в ценах 1997 года соответственно 461,4980,5 млн.руб. и 405,4-861,45 млн.руб.

Как показал опыт работы ограждающих конструкций из гидрофобизированных грунтоблоков на глиняно-песчаном растворе, теплоизолирующая способность материала несколько ниже в начальный период эксплуатации, чем кладка из обыкновенного глиняного обожжённого кирпича (Х.=0,887 против 0,697 вт/м.град.), однако после двух лет эксплуатации в результате миграции влаги через гидрофобное покрытие за счет массопереноса в теплое и зимнее время года, когда влажность воздуха ниже 70% материал грунтоблока освобождается от излишней влаги. В результате этого коэффициент теплопроводности (X) снижает свою величину до 0,65-0,70вт/м.град.

Прочностные характеристики материала по отобранным кернам позволяют сделать вывод о том, что наблюдается постоянный рост прочности во времени.

Таким образом по эксплуатационным характеристикам, технологической простоте и экономической эффективности разработанные грунтома-териалы с защитным гидрофобным покрытием вполне отвечают всем предъявленным требованиям строительного производства и рекомендуются для широкого внедрения, не только устройства стен зданий и сооружений, но и при устройстве оснований фундаментов, оснований под полы, перегородок и Т.д.

Выводы по работе.

1.Анализы литературного и экспериментального материала, отечественного и зарубежного опыта показали , что использование грунтов в строительных целях в настоящее время базируется на дисперсном или волокнистом армировании; введением минеральных или органических связующих в грунт требует больших энергетических и материальных затрат при перемешивании сырьевой массы.

2.Проблема создания эффективных материалов на основе неукреплённых грунтов должна ориентироваться на технологии, связанные с уплот-

-го-

нением грунта до требуемых параметров физико-механических свойств с последующей консервацией изделий для стабилизации их качественных характеристик.

3.Сделан выбор грунтов наиболее распространённых в Западной Сибири (суглинок) и предложена модель работы нового материала на его основе, обеспечивающая его " совместимость и комплексность восприятия эксплуатационных и прочих воздействий путём формирования от грунтового массива, переходного слоя, цементогрунтовой прослойки, це-ментнокаменной прослойки и гидрофобной защиты.

4.Предложена модель работы нового материала на основе грунта с гидрофобной защитой: защитной оболочки из битума или латекса, цементного камня, цементонгрунта, переходного слоя, грунтового массива.Сделана оценка видов грунтов наиболее применяемых для строительных целей, из которых самую большую часть в Западной Сибири занимают суглинки.

5.Установлено, что при параметрах давления 6-8МПа и 10-12М11а и влажности от2,5 до 18,0% в грунтовом массиве за счёт сил внутреннего взаимодействия происходит самоупрочнение структуры, что позволяет использовать полученные изделия в качестве строительных материалов.

6.Установлено влияние двойного формования на защитные свойства поверхности изделия от изменения влажности и температур. Доказано, что создание влагопоглощающего слоя из минерального вяжущего на поверхности отформованного изделия из грунта способствуют не только упрочнению структуры, но и создаёт адгезионную поверхность для нанесению плёнкообразующего гидрофобного материала, что может быть только при — ТЙпэтгноЧгформивапии.

7.Установлено, что структура и свойства материалов на основе грунта зависят от комплекса исходных факторов и физико-химических процессов происходящих в них, важнейшими из которых являются: минералогический и химический составы, степень насыщения влагой, гранулометрический состав, степень агрегатирования, вид агрегатов и их форма, рН среды и др.

8.Изучены эксплуатационные показатели грунтоблоков при изменении влажности, температуры, морозостойкости и подтверждена их высокая стойкость.

9.0пределены деформативные свойства изделий при различных воздействиях температуры и влажности. В силу незначительных величин деформаций (0,1-0,6 мм/м.пог.) по дефомативным качествам новый материал может быть отнесён к лёгким бетонам или цементогрунтам.

Ю.Выявлены границы слоёв и их влияние на формирование сгрук-туры грунтового материала, а также характер их совместной работы в изделиях; доказано, что каждый слой обладает -.■:.->.._ разными физико-механическими свойствами, г; .: ' " : Методами фото-

электроколориметрии определена высокая адгезионная способность защит-

ных гидрофобных покрытий к изделию из грунта с водопоглощающим слоем, что подтверждается так же исследованиями деформативных свойств материалов и интервалами величин деформации 0,1-0,6 мм/м.пог.

11.Проведённые термографические исследования, рентгенострук-турный и химический анализы подтвердили наличие нового промежуточного слоя на границе между грунтовым массивом и цементогрунтом. Выявлены размеры данного слоя (1-5мм) и подтверждено наличие структурообразующих фрагментов в изделиях из грунта с гидрофобным покрытием, что способствует обеспечению стабильности эксплуатационных свойств при различных воздействиях

12.Разработана технологическая схема, положенная в основу создания мобильной механизированной установки по производству грунтоблоков с гидрофобным покрытием производительностью 400 штук в час. Осуществлён выпуск установок, выпущены партии грунтоблоков, которые использованы при возведении стен зданий различного назначения, опыт эксплуатации которых показал эффективность выполненной работы.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.А.С.№1470506. Способ изготовления конструктивных строительных материалов из грунта / Пичугин А.П., Язиков И.К./ СССР/ Заявка №4284508. Приоритет изобретения 14 июля 1987г. Зарегистр. в Гос.реестре изобр. СССР 8 дек. 1988г.

2.Язиков И.К., Пичугин А.П. Использование полимерных материалов при изготовлении грунтоблоков,- В кн. Применение полимерных материалов в сельском строительстве. Тез. докл. на Всесоюзн. научно-технической конф. 17-19 мая 1988г в Челябинске., Челябинск 1988. С121-122.

3.Язиков И.К. Производство конструктивных элементов и оснований сельских дорог из грунтобетона и отходов.- В кн. Сб.науч.тр./новосиб.с-х.ин-т.1988. Использование вторичных ресурсов в АПК.,с.31-34.

4.А.С. №1728181. Способ изготовления стенового материа-ла./Пичугин А.П.,Язиков И.К./ СССР / заявка №4761200. Приоритет изобр.23 ноябр. 1989г. зарегистр. в Госуд.реестре изобр.СССР 22дек.1991.

5. Язиков И.К., Пичугин А.П. Долговечность строительных материалов из защищенного грунта. В кн. Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и сооружений. Тез.докл.на Всесоюзной науч.-техн.конф. в Челябинске. Челябинск 1990,с132-133.

6.Пичугин А.П., Язиков И.К. Исследование водостойкости бесцементного грунтобетона. В кн. Совершенствование технологии строительных ма'^ериалов и конструкций. Межвузовский сборник науч.трудов. Пермский политехнический институт. Пермь, 1990г.с55-58.

7.Язиков И.К. Пичугин А.П. Гидрофобизированные грунтоблоки на пористых заполнителях. В кн. Использование вторичных ресурсов и ме-

стных материалов в сельском строительстве. Материалы Всесоюзной научн,-техн.конф. 28-30 мая 199-1г в Челябинске. Челябинск,1991.с121-122.

8.Терёшин В.ГГ., Пичугин А.П., Язиков И.К. Вяжущее на основе карбонатных отходов сахарного производства.- В кн. Матер, междун. науч. -техн.конф. 27-29 мая 1992г в Челябинске. Челябинск, 1992. Повышение долговечности и эффективности работы конструкций с-х зданий и сооружений.с59-60.

9.Язиков И.К. Использование грунта в оболочке для создания строительных изделий.-В кн. Материалы, технология, организация и экономика строительства. Тезисы докладов науч.-техн.конф. Новосибирского инж.стр.ин-т. Новосибирск, 1992.24с.

10.Пичугин А.П., Язикоз И.К., Пименова Л.В. Вяжущее и бетоны на основе карбонатных отходов.-В кн. Повышение долговечности конструкций с-х зданий и сооружений. Международный сборник научных трудов. НГАУ; Урало-сибирский дом экономии. Пропаганды общ. "Знание" Р.Ф. 1994x55-57.

11.Язиков И.К., Пичугин А.П. Долговечность гидрофобизирован-ных грунтоблоков.-В кн.Повышение долговечности конструкций с-х зданий и сооружений. Междн.сб.науч.тр.НГАУ; Урало-сибирский дом экономии. Пропаганды общ. "Знание" Р.Ф. 1994x81-87.

12.Язиков И.К., Пичугин А.П. Испытание фрагментов кладки из гидрофобизированвых грунтоблоков.-В кн. Междн.сб.науч.тр./НГАУ, Урал.Сиб.дом экон.и научн.техн.пропаганды,1995. Эффективные материалы и конструкции для с-х строит.,с74-78.

13.Язиков И.К. исследование несущей способности оснований зданий и сооружений с-х назначения.-В кн. Проблемы АПК в условиях рыночной экономики.-Тезисы докладов юбил.регион.научн.практ.конф.НГАУ, Новосибирск, май 1996x210-211.

14.Язиков И.К.,Пичугин А.П. Корреляционно-регрессивный анализ факторов влияющих на прочность гидрофобизированных грунтоблоков.-В кн. Моделирование и вычислительный эксперимент в материаловедении.-Материалы к ХХХУ международному семинару по пробл. моделир. и оптим. композитов. Междн.инж.акад., Одесский дом учёных Одесская гос.акад.сгр.и арх. 1996x125.

15.Язиков И.К. Пичугин А.П. Моделирование композиционного грунтобетонного материала.-В кн. Материалы к ХХХУ1 международному семинару по пробл. моделир. и оптим. композитов. Междн.инж.акад., Одесский дом учёных, 1997. Компьютерное материаловедение и обеспечение качества. С149-