Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Чернышева Н.В., Эльян Исса Жамал Исса, М.Ю. Дребезгова

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

Водостойкий гипсобетон для зеленого строительства

Под «зеленым» строительством подразумевается возведение и эксплуатация зданий с меньшим уровнем потребления энергии и материалов на всем протяжении жизненного цикла дома: от проектирования до утилизации [1].

Основной целью «зеленого строительства» является сокращение общего влияния застройки на окружающую среду и человеческое здоровье, что достигается за счёт: эффективного использования энергии, воды и других ресурсов; внимания по поддержанию здоровья жителей и повышению эффективности работников; сокращения отходов, выбросов и других воздействий на окружающую среду. Мощным толчком для развития технологий «зеленого» строительства стали растущий уровень загрязнения окружающей среды во всем мире, глобальное потепление и необходимость в более экономичном использовании энергетических ресурсов планеты, таких как газ и нефть. Возведение «зеленого» здания — это не только наличие систем, увеличивающих использование энергии и вырабатывающих собственную электроэнергию из возобновляемых источников, но и использование при строительстве и отделке экологически чистых материалов.

Анализ современных тенденций внедрения новых строительных технологий и материалов в экономически развитых странах мира позволяет утверждать, что на ближайшие 10-20 лет основой динамичного внедрения в практику станет использование энергосберегающих технологий и экологически чистых и безопасных материалов, что позволит с учетом генезиса сырья и устойчивости системы «человек – материал – среда обитания» обеспечить экологичность жилья и создать архитектурно-художественный образ зданий, соответствующий природному окружению с учетом природно-климатических условий, особенностями их эксплуатаций и т.п. [2].

Для обеспечения комфортного существования человека именно в этой системе, необходимо заранее прогнозировать воздействие на организм человека строительного материала, из которого планируется строительство его жилого дома. К таким разработкам относятся и технологии высокоэффективных водоустойчивых гипсобетонов, способных заменить энергоемкий портландцемент в широкой номенклатуре бетонных изделий для малоэтажных жилых и производственных объектов, интерес к которым растет, особенно за рубежом [3-6].

По составу природный гипс является экологически безопасным веществом, не токсичен, при его производстве не выделяется в окружающую среду углекислый газ - СО₂ и другие вредные компоненты. Это материалы, регулирующие влажность окружающего воздуха и обеспечивающие благоприятный для здоровья человека микроклимат в помещении, что является существенным дополнением к целому ряду других, экологически положительных и защитных качеств. Изделия из гипсовых вяжущих характеризуются легкостью, достаточной прочностью, относительно низкими тепло- и звукопроводностью. Они легко формуются и приобретают любую архитектурную форму. Доля изделий из гипса в общем объеме производства строительных материалов для жилищно-гражданского строительства в США возросла в последние годы втрое, в Японии – вдвое.

В БГТУ им. В.Г. Шухова на кафедре строительного материаловедения, изделий и конструкций разработаны материалы для «зеленого» строительства из гипсобетона повышенной водостойкости с использованием новых видов сырьевых ресурсов - высокодисперсных наполнителей, получаемых тонким измельчением техногенного сырья (отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, отсева дробления кварцитопесчаника, бетонного лома, и др.), а также из сырьевых материалов природного происхождения (кварцевого песка, опоки, перлита, вулканического туфа и др.), способствующих эффективному управлению процессами внутреннего структурообразования, обеспечивая высокое качество композитов и изделий на их основе. Согласно генетической теории выбора энергосберегающего сырья [1], приобретенная в процессе техногенных воздействий, свободная внутренняя энергия, которой обладает техногенное сырье, уменьшает работу, которую необходимо выполнить человеку при производстве строительных материалов, т.е. механическую дезинтеграцию сырья (разрушение структуры и текстуры), разрушение кристаллических решеток минералов и синтез новообразований, определяющих эксплуатационные характеристики продукции стройиндустрии.

Особый интерес представляет техногенное сырье - отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходы ММС), отличающиеся от традиционно применяемого песка полиминеральным составом, а также наличием кварца трех генетических типов, включая более реакционноспособные разновидности. Отходы ММС состоят в основном из остроугольных изометрических агрегатов и отдельных частиц кварца - 68%, магнетита – 4%, гематита – 7%, силикатов (амфиболов) – 12% и карбонатов – 9%. Модуль крупности отходов значительно меньше 1, около 80–85 % частичек – размером меньше 0,074 мм, средневзвешенный диаметр 0,08–0,13 мм. Все породообразующие минералы отходов ММС имеют большое количество структурных дефектов, что позволяет ускорить и улучшить их взаимодействие с клинкерными минералами при формировании новообразований и приводит к созданию более плотного и прочного затвердевшего камня.

Композиционное гипсовое вяжущее является неорганической полидисперсной и полиминеральной системой, включающей модифицированное органо-минеральным модификатором гипсовое вяжущее, получаемое совместной механо-химической активацией портландцемента, кремнеземсодержащих и химических добавок, характеризуемое регулируемыми реотехнологическими свойствами. Домол композиционных вяжущих совместно с наполнителем существенно повышает концентрацию активных центров типа кислотных центров Бренстеда и основных центров Льюиса на их поверхности. Кроме того, повышение тонкости помола вызывает механохимические процессы в вяжущих, благодаря чему поверхность составляющих их частиц, аморфизируется.

Композиционное гипсовое вяжущее с регулируемыми сроками схватывания (начало от 10 до 50 мин), прочностью (R_сж.=10–30 МПа), водостойкостью (К_разм=0,45–0,82) с минеральными и органическими модификаторами производится по упрощенному, энергосберегающему и экологически чистому варианту технологии (табл.1).

Таблица 1

Состав и свойства композиционных гипсовых вяжущих

№ п/п	Вид кремнезем- содержащей добавки	Подвиж ность, м	Прочность на сжатие, МПа, в сроки			Коэфф. размягчения Кр
			2 ч.	7 сут.	28 сут
1	Отходы ММС	0,175	4,2	12,75	25,0	0,82
2	Кварцитопесчан ник	0,180	3,72	10,12	23,3	0,75
3	Бетонный лом	0,120	4,5	18,61	28,1	0,55
3	Кварцевый песок	0,144	4,3	14,21	24,8	0,75
4	Опока	0,110	7,0	8,2	17,6	0,42
5	Перлит	0,115	7,5	9,0	18,1	0,43
6	Туф	0,185	3,62	11,8	21,3	0,5

Примечание: удельная поверхность минеральных добавок, 500 м²/кг , В/В_яж=0,45

Высокая прочность композиционного гипсового вяжущего дает возможность изготовлять различные виды бетонов, в том числе и тяжелые для несущих конструкций (табл.2). Прочность бетона и эффективность применения различных видов бетонов во многом определяется видом бетонных смесей, применяемых при формовании изделий. Применение жестких бетонных смесей снижает расход вяжущего, ускоряет твердение, что особенно важно при применении гипсовых вяжущих, так как позволяет через 1-1,5 часа после формования получить 30-40% марочной прочности бетона и производить распалубку изделий без применения тепловлажностной обработки. В исследованиях было применено композиционное гипсовое вяжущее состава, масс.%: 70:18:12 (гипс: цемент: вулканический туф). В качестве органического водопонижающего реагента использовали Uniplast P211 в количестве 0,3 % от массы вяжущего. В качестве заполнителей использовали известняковый щебень и кварцевый песок.

Таблица 2

Состав и свойства тяжелого бетона на композиционном гипсовом вяжущем

Требуемая марка бетона	Удобоуклады-ваемость, с	Фактическая средняя плотность кг/м^3	Фактический расход материалов на 1 м^3, кг					Плотность, кг/м^3
			КГВ	Щебень известня ковый	Песок кварце вый	вода	добавка	Прочность при сжатии, МПа через
								1 сутки	28 суток
100	50	2310	340	1200	590	180	-	2290 7,5	2230 10,5
100	50	2285	340	1200	590	155	0,3*	2275 9,5	2240 19,0
150	50	2305	400	1200	350	175	-	2260 8,0	2220 15,2
150	50	2285	400	1200	350	155	0,3*	2240 11,0	2245 23,6
200	50	2315	500	1100	350	185	-	2290 11,5	2215 20,5
200	50	2295	500	1100	350	165	0,3*	2210 15,0	2210 32,0

Примечание: добавка Uniplast P211

Как видно из результатов исследований, применение химической добавки Uniplast P211 дает возможность снизить водопотребность и повысить прочность бетона на 30-35% через 1 сутки и на 40-60% в возрасте 28 суток или снизить расход вяжущего для получения равнопрочных бетонов на 50-80 кг/м³.

Таким образом, из различных составов тяжелых бетонов на композиционных гипсовых вяжущих возможно изготовление изделий, имеющих марочную прочность М100-М300.

Быстрое твердение бетонов на КГВ позволяет через 1-1,5 часа извлекать отформованные изделия из форм, особенно, если формование производится в вертикальном положении и при распалубке в изделиях не возникают изгибающие усилия.

Литература

1. Lesovik V.S. Senkung der Energieintensität der Baustoffproduktion durch die Energieanwendung von geologischen- und Technogenprozessen/ 18. Ibaus. Internationale Baustofftagung. - Weimar, 2012

2. Лесовик В.С. Архитектурная геоника // Жилищное строительство. - №1. – 2013. – С. 9 – 12.

3. Лесовик В.С. Формирование структуры гипсовых композитов с учетом происхождения сырья /В.С.Лесовик, Н.В.Чернышева // 18. Ibaus. Internationale Baustofftagung. - Weimar, 2012

4. Lessowik W.S., Tschernyschewa N.W. Zusammengesetzte Gipsbindemittel unter Anwendung vom technogenen Rohstoff: 1.WEIMARER GIPSTAGUNG, Weimar Gypsum Conference. 30-31 Marz 2011. S..407-416.

5. Белов В.В. Модификация структуры и свойств строительных композитов на основе сульфата кальция / В.В. Белов, А.Ф. Бурьянов, Г.И. Яковлев, В.Б. Петропавловская, Х.-Б. Фишер, И.С. Маева, Т.Б. Новиченкова//-М.: Де Нова. 2012. – 196 с.

6. Fisher H.-B. Über den Einfluss verschiedener Flie-mittel auf die Hydration von Calciumsulfathalbhydrat/18. Ibaus. Internationale Baustofftagung. - Weimar, 2012.