 |
Органические заполнители бетонов
|
|
|
|
9.1. Заполнители органические
Органические заполнители, как правило, применяют для производства теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов и изделий:
1) цементного фибролита;
2) ксилолита;
3) арболита;
4) камышебетона;
5) торфоплит;
6) теплоизоляционных плит из костры льна;
7) некоторых пластмассовых изделий.
В качестве древесных и других органических заполнителей обычно используют:
1) отходы лесозаготовок (вершины, сучья, пни, корни);
2) отходы лесопиления и деревообработки (горбыли, рейки, щепа, стружки и опилки);
3) сельскохозяйственные отходы (рисовую солому, льняную и конопляную костру, стебли хлопчатника, подсолнечную лузгу);
4) одубину (отходы заводов дубильных экстрактов);
5) побочные продукты целлюлозно-бумажной промышленности;
6) сечку камыша.
Основными являются древесные и сельскохозяйственные отходы.
Сырьевая база для получении древесных заполнителей остаётся практически неограниченной, поскольку ежегодный объём древесных отходов составляет примерно 150 млн. м3. Большая часть их пока рационально не используется.
9.2. Древесные отходы
На территории России сосредоточено около 70% мировых запасов древесины, причём на 80% - в наиболее ценных лесах хвойных деревьев. Массовая заготовка и переработка древесины связаны с накоплением отходов до 200 млн. м3, в том числе около 50 млн. м3 опилок.
На качество искусственных строительных конгломератов, в которых применяют древесные заполнители, оказывает влияние порода дерева. Древесные заполнители получают главным образом из отходов хвойных пород (ели, пихты, сосны и других). Реже используются отходы лиственных пород – осины, берёзы, бука и других. Из древесных заполнителей перспективными являются отходы деревообработки. Их подвергают предварительной подготовке с целью освобождения от загрязняющих примесей и получения частиц нужной формы (дроблёнка, стружки, древесная шерсть) и размеров. Кусковые отходы древесины подвергают сначала первичной, а затем вторичной переработке. Первичную переработку производят с помощью рубильных машин, в результате чего получают технологическую щепу в виде ромбовидных кусков с размерами по длине волокон древесины 10-40 мм. Щепа непригодна для изготовления искусственных строительных конгломератов, так как является слишком крупной, и изделия с ней имеют большую пористость и низкую прочность. При вторичной переработке, которую производят с помощью молотковых мельниц (дробилок) и стружечных станков, технологическую щепу превращают в дроблёнку и стружку. Кроме специально приготовленной стружки, применяют также стружку и опилки от столярного и мебельного производства. Древесную шерсть приготовляют на древесношерстяных станках из чураков.
|
|
|
9.3. Свойства древесных заполнителей
На качество искусственных строительных конгломератов большое влияние оказывают свойства древесных заполнителей.
Большое значение имеет средняя плотность древесины и насыпная плотность древесного заполнителя, которые зависят от многих факторов. Средняя плотность древесины колеблется в широких пределах.
Важным свойством древесного заполнителя является его пористость. В заполнителе имеются поры внутри частиц и поры (пустоты) между ними. Пористость зависит от различных факторов: от крупности частиц, степени уплотнения и других. Для получения наиболее плотного заполнителя необходимо подобрать смесь частиц древесного заполнителя с минимальной пористостью
Большое влияние на качество древесных заполнителей оказывает и влажность древесных отходов. Влажность древесины у разных пород деревьев различна, а для одной и той же породы она зависит от местоположения в стволе, от времени года, суток, от температуры и других факторов. Значительно увлажнённые отходы плохо поддаются переработке их в заполнители.
|
|
|
Древесный заполнитель обладает гигроскопичностью. При поглощении влаги древесина набухает, что сопровождается давлением разбухания. Набухание происходит при поглощении влаги оболочками клеток, которые при этом увеличиваются в объёме, тогда как поглощение влаги капиллярами древесины набухания не вызывает. При расчёте составов искусственных строительных конгломератов (например, арболита) учитывают набухание древесного заполнителя.
При высыхании древесного заполнителя происходит уменьшение его объёма (усушка). Усушка древесины связана с испарением влаги из клеточных оболочек. При удалении влаги из капилляров усушки не происходит. Наибольшая усушка происходит поперёк волокон (до 12%), а вдоль волокон она незначительна (0,1%). В целом усушка древесного заполнителя в бетоне вызывает дополнительные напряжения и влияет на деформативные свойства. Волокнистое строение заполнителя вызывает некоторую анизотропию прочности изделий.
Содержание хвои в заполнителе должно быть не более 5%, а коры – не более 15% от массы абсолютно сухой древесины. Не допускаются заполнители, имеющие запах и гнили. Гниль необходимо удалять просевом заполнителя через сито с диаметром отверстий 1,5-2 мм.
Размеры лепестков стружек, полученные на стружечных станках: длина 2-20 мм, минимальная толщина 0,1-1 мм.
9.4. Изделия из древесины с применением цемента
При изготовлении изделий с применением цемента (например, арболита) стружки минерализуют. Древесная шерсть, применяемая для приготовления цементного фибролита, состоит из длинных тонких стружек (ленточек) длиной 500 мм, шириной 2-5 мм и толщиной 0,2-0,7 мм. Её получают строганием специально приготовленных окорённых чураков длиной 0,5 м и диаметром 10-35 см; допускается применение более тонких чураков диаметром 8-9 см, а также диаметром свыше 35 см. С этой целью неделовую древесину – тонкомерный кругляк, дровяное долготьё и отходы лесопиления (горбыли, срезки) – освобождают от коры и выдерживают в тёплое время года (весенне-летний период) в штабелях. Затем материал распиливают пилой на чурки длиной 0,5 м и затем строганием на древесношерстных станках готовят из чураков древесную шерсть. Её сушат в конвейерных сушилах до влажности 20-25% и минерализуют.
|
|
|
Опилки, в зависимости от характера распиловки, разделяют на два основных вида: опилки от поперечной и продольной распиловки. При поперечной распиловке древесины на круглопильных станках получаются более мелкие частицы, чем при продольной распиловке, и они имеют волокнистое строение. Эти опилки почти полностью проходят через сито с диаметром отверстий 2 мм и основной фракцией в них является фракция 1-2 мм.
При продольной распиловке брёвен на лесопильной раме получают опилки близкой к кубической форме размерами от крупных частиц 7 мм до пылевидных. Наибольшая часть опилок имеет размеры от 2 до 5 мм. Кубовидная форма частиц обусловливает высокое отношение торцевых поверхностей к боковым, вследствие чего материалы и изделия из опилок обладают повышенными водопоглощением и впитываемостью связующих веществ, так как показатели этих свойств вдоль волокон больше, чем поперёк.
. Биостойкость и трудносгораемость материалов на основе древесных заполнителей обеспечивается пропиткой заполнителей минерализаторами и последующим смешиванием их с минеральными вяжущими. Недостатками бетонов на древесных заполнителях является высокое водопоглощение и сравнительно низкая водостойкость.
9.5. Арболит
Арболит – это лёгкий бетон на заполнителях растительного происхождения, предварительно обработанных раствором минерализатора. Он применяется в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в виде панелей и блоков для возведения стен и перегородок, плит перекрытий и покрытий зданий, теплоизоляционных и звукоизоляционных плит. Арболитовые конструкции эксплуатируют при относительной влажности воздуха помещений не более 69%, при большей влажности необходимо устройство пароизоляционного слоя.
|
|
|
Наружная поверхность конструкций из арболита, соприкасающаяся с атмосферной влагой, независимо от влажностного режима эксплуатации, должна иметь отделочный (фактурный) слой.
Плотность и теплопроводность арболита при постоянной прочности могут изменяться в зависимости от вида заполнителей. Для арболита на измельчённой древесине со средней плотностью 400-850 кг/м3 теплопроводность составляет 0,08-0,17 Вт/(м·К).
На прочность арболита влияет порода древесины и влажность, особенно в диапазоне от 0 до 25%. Максимальную прочность этот материал приобретает при влажности 16-17%. Деформация при кратковременной нагрузке (показатель сжимаемости) у арболита в 8-10 раз больше, чем у лёгких бетонов на минеральных пористых заполнителях.
Арболит имеет достаточно большое значение водопоглощения. Однако преимуществом этого материала является лёгкая отдача поглощённой воды, то есть быстрое высыхание.
Морозостойкость арболитовых изделий назначается в зависимости от режима их эксплуатации и климатических условий района строительства. Во всех случаях она принимается не менее 25.
Для изготовления заполнителей из древесины исходный продукт для снижения количества вредных экстрактивных веществ определённое время выдерживают на складах (хвойные породы – не менее 2 месяцев, лиственные 6 месяцев).
При положительной температуре выдержка сокращается до 1 месяца при условии дальнейшего измельчения древесины в щепу. Дроблёнку хвойных и особенно лиственных пород обязательно замачивают в воде или растворах минеральных солей. Последние, нейтрализуя действие вредных веществ в древесине, одновременно ускоряют твердение цемента.
9.6. Технология получения арболита
Состав арболита определяют расчётно-экспериментальными методами. Для теплоизоляционного арболита классов В 0,35- В 1 расход цемента М 400 составляет 260-360 кг/м3, а конструкционно-теплоизоляционного классов В 1,5 и В 2,5 – 330-450 кг/м3. Минимальный расход цемента достигается при использовании дроблёнки из отходов лесопиления смешанных пород и костры. Расход хлорида кальция и жидкого стекла не превышает 8-9 кг/м3, сульфата алюминия – 15-20 кг/м3.
Технология изготовления арболитовых изделий включает подготовку сырьевых материалов, приготовление арболитовой смеси и её укладку в формы, твердение и сушку, отделку и складирование.
Арболитовая смесь из-за свойственных её упругих свойств не подчиняются общим закономерностям, присущим бетонным смесям на других видах заполнителей. При уплотнении смеси обычная вибрация малоэффективна, а прессование приводит к тому, что после снятия нагрузки происходит распрессовка смеси и нарушение уплотнённой структуры. Эти особенности арболитовой смеси объясняются свойствами древесного заполнителя – лёгкого, упругого, пористого материала, который энергично поглощает влагу в процессе приготовления смеси. В результате этого смесь малоподвижна даже при больших расходах воды. Поэтому на практике приходится поддерживать высокие значения В/Ц, равные 1,1-1,3, а в случае получения теплоизоляционного арболита на базе костры – ещё выше.
|
|
|
К механизированным способам уплотнения арболита относится вибросиловой прокат, виброштампование, вибрирование с пригрузом.
Завершающим этапом технологического процесса является тепловая обработка изделий до набора отпускной прочности. Пропаривание арболита по обычным для бетонов режимам приводит к потере прочности, что объясняется возникновением внутренних напряжений за счёт объёмных деформаций заполнителя, которые разрушают структуру твердеющего цементного камня. Одновременно усиливается выделение сахаров в раствор, что способствует «отравлению» цемента. Лучшие результаты достигаются при низкотемпературной обработке по мягким режимам. Эти режимы аналогичны для древесины при её сушке – температуре 50-60°С и относительной влажности воздуха 70-80%. При таком режиме арболит приобретает распалубочную прочность через 18-20 ч. Она не превышает 25-40% марочной, а влажность остаётся в пределах 30-35%. Для дальнейшего набора прочности и снижения влажности до отпускных величин изделия дополнительно выдерживают на закрытом складе в течение 7 дней при температуре 15-18°С.
В некоторых сооружениях замена традиционных материалов арболитом позволяет снизить массу здания в 1,3-1,5 раза. При эквивалентной толщине стены по условиям теплопередачи масса 1 м2 ограждения из арболита в 7-8 раз ниже, чем из кирпича, и в 2-3 раза ниже, чем из керамзитобетона.
9.7. Заполнители из камыша и костры
В разных районах нашей страны имеются большие заросли камыша. Сечку камыша применяют в качестве заполнителя для арболита. Её готовят из зрелых стеблей камыша наиболее благоприятной зимней заготовки. Стебли камыша сначала режут на силососоломорезке и затем дополнительно измельчают на молотковой дробилке. Частицы полученной сечки имеют длину 7-35 мм, ширину 2-6 мм и толщину 1-2 мм. По техническим требованиям наибольшая крупность сечки 5 мм.
Перед применением сечки её, подобно некоторым древесным наполнителям, минерализуют.
Конопляная костра – это отход первичной переработки стеблей конопли на пеньку. Она представляет собой мелкие частицы (раздробленной одревесневшей части стебля) неправильной формы длиной 10-70 мм и в поперечнике 2-2,5 мм.
До первичной обработки стебли конопли вымачивают 20-30 суток в естественных водоёмах или в заполненных водой ямах, или же в бассейнах с
горячей водой на пенькоперерабатывающих заводах. Биохимические процессы происходят с вымыванием из костры водорастворимых веществ – сахаров, органических кислот, минеральных солей. Ввиду небольшого диаметра стеблей конопли и большой их пористости экстрактивные вещества удаляются из них быстрее и более полно, чем из древесины. Такая обработка конопли защищает цементный камень от коррозии. Поэтому при производстве арболита из конопляной костры её не замачивают в воде с минерализаторами.
Влажность конопляной костры, применяемой для арболита, должна быть не более 20% по массе. Её хранят в закрытом складе или под навесом.
Льняная костра состоит из узких тонких пластин длиной до 50 мм, шириной до 3 мм и толщиной до 3 мм. В ней содержится больше, чем в конопляной костре, вредных для цемента веществ. В случае применения с цементом её минерализуют.
Использование древесных и других растительных заполнителей для изготовления искусственных строительных конгломератов даёт возможность получать большой экономический эффект, а также уменьшает загрязнённость окружающей природной среды.
9.8. Пустотелый заполнитель для лёгкого бетона на основе торфа и минерального сырья
Традиционно в качестве заполнителей лёгких бетонов используют керамзит – продукт, получаемый при обжиге легкоплавких вспучивающихся глинистых пород. От качества и состава глинистого сырья зависят свойства получаемого заполнителя. В настоящее время многие предприятия по производству керамзита отмечают значительное ухудшение одной из основных его характеристик – теплопроводности. Увеличение теплопроводности связано с недостаточной вспучиваемостью глин и, как следствие, с низкой пористостью получаемого заполнителя.
Пустотелый заполнитель на основе торфа и глинистого сырья позволяет существенно продвинуться в решении этой проблемы. Разработанная схема технологического процесса его производства состоит из следующих операций:
1) добыча торфяного сырья;
2) его механическая переработка (дробление);
3) окатывание торфа на грануляторе тарельчатого типа;
4) искусственная подсушка окатышей;
5) добыча глинистого материала;
6) приготовление шликера;
7) нанесение минерального покрытия на торфяные ядра;
8) сушка композиционных гранул;
9) обжиг гранул;
10) охлаждение материала;
11) складирование полученного продукта.
Определённые трудности в реализации предлагаемого способа возникают при нанесении минерального покрытия на торфяные гранулы, а также при сушке и обжиге композиционных гранул.
Дробление торфяной крошки поводится на молотковой дробилке с колосниковой решёткой. Полученная масса при влажности 82-86% окатывается на тарельчатом грануляторе. Размер гранул после окатывания составляет приблизительно 15 мм.
Для минерального покрытия применяется глина. Из неё готовится суспензия с влажностью 50-55%, в которой смачиваются торфяные гранулы. К преимуществам мокрого способа нанесения покрытия можно отнести:
1) достижение однородности минеральной пульпы;
2) сравнительную простоту удаления из глинистого сырья посторонних включений;
3) отсутствие энергоёмкого процесса первоначального помола.
Прочностные характеристики формованной продукции на основе торфа зависят от его влажности. Чем меньше содержание влаги в материале, тем выше его прочность.
После нанесения минерального покрытия композиционные гранулы высушиваются при температуре 100-120°С до полного обезвоживания. Обжиг гранул проводится при температуре до 1000°С. При обжиге торфяное ядро выгорает, а минеральная оболочка спекается. В результате получается гранула пустотелого заполнителя.
Полученный заполнитель характеризуется большой межзерновой пустотность, обладает высокой открытой пористостью. Пустотность достигает 72%. Плотность зёрен в сухой сыпучей среде составляет 400 кг/м3, в цементном тесте – 1400 кг/м3. Коэффициент Фомы зёрен – 1,04. Водопоглощение по массе – 20%. Прочность при сдавливании в цилиндре – 0,9 МПа.
Экономия расхода цемента на 1 м3 бетона составляет 100-150 кг. Теплофизические характеристики бетона улучшаются по сравнению с традиционным керамзитобетоном за счёт снижения средней плотности и мелкопористой структуры прослоек цементного камня.
9.9. Пенополистирол
Пенополистирол является основным полимерным заполнителем в виде высокопористых гранул, которые получают из бисерного полистирола путём вспенивания его гранул при нагревании.
При относительно низкой энергоёмкости изготовления и самой низкой для пористых заполнителей насыпной плотности (10-30 кг/м3), его водопоглощение составляет лишь 2-3% по массе. Коэффициент теплопроводности в засыпке – всего 0,35-0,40 Вт/(м·К).
Лёгкий бетон с заполнителем из пенополистирола (полистиролбетон) представляет собой лёгкий бетон с минеральным вяжущим. Его поры образованы частицами вспененного пенополистирола.
Полистиролбетон известен в течение длительного времени. В нашей стране он применяется не менее 25 лет, а в западных странах – 40 лет.
В последнее время наблюдается повышенный интерес к полистиролбетону, как строительному материалу. Это обусловлено рядом причин:
1) полистиролбетон стал серьёзной альтернативой пенобетона и газобетона из-за более широкой области применения, простоты изготовления и значительно лучших характеристик материала;
2) требования по теплоизоляции становятся более жёсткими. Вследствие этого наиболее интересные решения связаны с использованием бетона с заполнителем из пенополистирола.
Лёгкий бетон с пенополистирольным заполнителем входит в группу чрезвычайно лёгких бетонов, которые производятся с использованием пористых заполнителей, обычно имеющих малую прочность.
Средняя плотность полистиролбетона менее 600 кг/м3. В этом случае сочетание теплоизолирующего материала и бетона в одном материале предлагает строителям оптимальную комбинацию прочностных свойств, звукоизоляции, термоизоляции и огнезащиты.
В качестве заполнителя полистиролбетона используется пенополистирол со средней плотностью 25 кг/м3, которая не оказывает на конечную прочность лёгкого бетона.
Размер зёрен вспененных частиц пенополистирола находится в диапазоне 0,5-3,5 мм, что позволяет получать мелкопористый скелет бетона.
Для улучшения удобоукладываемости и уплотняемости полистиролбетона в него вносятся различные добавки. Оказалось, что наилучшие преимущества обеспечивают добавки:
1) содержащие воздухововлекающие компоненты;
2) компоненты для стабилизации и разжижения полистирольной смеси.
Смесь приобретает пластичную вязкую консистенцию. Благодаря этому предотвращается всплытие пенополистирольного заполнителя даже в случае интенсивного виброуплотнения.
9.10. Пенопорит и другие разновидности лёгких заполнителей
Существует технология изготовления поризованных цементно-песчаных грану, или, как их официально называют, - пенопорит. Они заменяют дорогостоящий керамзит. Плотность материала – от 350 до 600 кг/м3. Прочность и водопоглощение такие же, как и у керамзита.
Пенопорит дешёв, потому что для его производства используются цемент, песок и пена. Разница лишь в том, что в цене он в 2-3 раза дешевле керамзитового гравия, который служит в качестве заполнителя бетонных изделий.
Расход пенообразователя для 1 м3 пеномассы пенопорита составляет около 800 г.
Технология изготовления пеноорита такова. С помощью специального устройства приготовляется масса определённой вязкости. Затем она поступает на брикетозаготовительную установку. Отсюда уже выходят брикеты или комки, которые отправляются в гранулирующее и опудривающее сушильное отделение.
Актуальна разработка и других разновидностей особо лёгких органических заполнителей для теплоизоляционных лёгких бетонов, которые изготавливаются на базе переработки полимерных материалов и отходов их производства (например, на основе вспученного вторичного полиэтилена, пенополиуретана и так далее). Низкая теплопроводность таких заполнителей обусловлена:
1) относительно большими размерами молекул полимерных материков;
2) хаотичным их строением.
Поскольку в России добыча природного минерального сырья становится крайне дорогим и убыточным производством, то необходимо переходить на искусственные заполнители. За рубежом уже давно наложили вето на неоправданную разработку недр с целью получения инертных материалов.
|
|
|
