Исследование возможности применения местных строительных материалов для получения сухих строительных смесей

Рассмотрена целесообразность разработки кладочных и штукатурных ССС с применением опок осадочного происхождения в качестве активных минеральных добавок.

Разработка и внедрение новых эффективных материалов, обладающих высокими физико-механическими и теплофизическими характеристиками, является актуальной задачей современного материаловедения. Повсеместное применение технологий по утилизации промышленных отходов в производстве строительных материалов не только снимет обременяющие бюджет расходы на утилизацию, но и станет серьезным источником пополнения бюджетных средств, стимулом к расширению производства строительных материалов.

В мировой практике строительства для реставрации памятников, ремонта старых зданий, строительных и отделочных работ все большее применение находят сухие строительные смеси.

Для потребителей привлекательность сухих смесей заключается в том, что они являются практически готовыми к употреблению, продаются удобно расфасованными и при правильной эксплуатации длительное время сохраняют свои свойства.

Отечественное производство и применение сухих смесей в строительстве только начинает развиваться, о чем свидетельствует низкий объем потребления смесей на душу населения, не превышающий 6 кг/чел., что в 10-15 раз меньше, чем в передовых странах Западной Европы, таких, как Германия, Швеция, Финляндия. Это объясняется тем, что внедрение сухих смесей производится без учета экономических факторов, влияющих на организацию промышленного выпуска смесей и возможности комплексного использования сырьевых ресурсов страны.

Мировой и отечественный опыт использования сухих смесей, показал их высокую эффективность:

• повышение производительности труда в 1,5...4 раз в зависимости от вида работ, механизации, транспортировки и т. д.;
  
• снижение материалоёмкости по сравнению с традиционными технологиями в 3... 10 раз в зависимости от видов работ;
  
• стабильность составов и, как следствие, повышение качества строительных работ;
  
• длительность срока хранения без изменения свойств и расходование по мере необходимости;
  
• возможность транспортирования и хранения при отрицательной температуре.
  

Однако потребляемые в настоящее время сухие смеси производятся на основе традиционных цементно-песчаных и гипсовых растворов на базе серийно выпускаемых цементов высоких марок ПЦ 400, а нередко и ПЦ 500. Это не всегда оправдано, так как отдельные виды вяжущих находятся за пределами многих регионов и требуют транспортировки их к потребителю, что повышает стоимость продукции. Вместе с тем, сырьевая база многих регионов располагает достаточными месторождениями местных пород для организации производства вяжущих и сухих строительных смесей низких и средних марок на их основе.

Анализ наличия имеющихся полезных ископаемых в Курганской области, позволяющих снизить расход сырьевых компонентов, показал целесообразность использования опок Першинской площади Далматовского района. Кроме того, выявлено, что наша страна располагает крупнейшими в мире отложениями диатомитов, трепелов и различных опок. Широкое распространение кремнистых пород отмечено и рядом современных ученых, благодаря чему использование их в производстве строительных материалов, привлекло внимание исследователей. Опоки являются вскрышными породами при добыче кварцевого порфира. Интересным является, то что содержание аморфного кремнезёма в них составляет порядка 75%, а это основной компонент для формирования вяжущих свойств в комбинации с известью [1, 3, 5, 6]. Проведенные исследования позволяют говорить о том, что Першинские вскрышные опоки можно применять в строительстве в широком диапазоне, но для этого требуется более детальное исследование строительного материала.

В настоящей работе исследуются физико-механические свойства строительной смеси на основе песка, опоки, извести. Песок и опока являются местными материалами. Использование в качестве вяжущего смеси опоки и извести позволяет экономить такие довольно дорогие материалы как цемент и гипс. Кроме того, использование опоки улучшит экологическую ситуацию в районе Першинского карьера, так как в настоящее время опока не используется и её транспортируют в отвалы.

Цель работы: исследование физико-механических свойств сухой строительной смеси, состоящей из следующих основных компонентов: песок Просветского карьера города Кургана, молотая гашеная известь из города Пермь, опока Першинского месторождения Далматовского района Курганской области.

В этой смеси в роли вяжущего выступают опока и известь, а преимущественное применение местных материалов приводит к значительному снижению стоимости по сравнению с обычными смесями.

Для решения поставленной цели было проведено следующее.

1. Изучено состояние вопроса и сделан вывод об актуальности темы разработки сухих строительных смесей на основе местных строительных материалов. В настоящее время промышленность строительных материалов активно осваивает все новые и новые виды сухих строительных смесей, имеющие различные компоненты в своем составе и значительно различающиеся по своим свойствам и областям применения. Конъюнктура рынка в настоящее время благоприятна для реализации сухих строительных смесей по причине увеличения доли сухих смесей в новом строительстве, ремонте и реконструкции, а также роста объемов капитального строительства и ремонта. Наибольшим спросом пользуются сухие смеси для отделочных работ, среди которых значительную долю составляют штукатурные смеси. В отличие от ССС на гипсовых вяжущих, которые нельзы применять для наружных работ, исследуемые ССС можно применять как для внутренних так и для наружных работ. В большинстве своем производимые в настоящее время сухие смеси в качестве вяжущего имеют в своем составе портландцемент, а для улучшения свойств раствора применяются дорогостоящие модифицирующие полимерные добавки. Из-за применения этих добавок резко возрастает стоимость смеси в целом.

2. Исследованы характеристики материалов:

• Компоненты сухой строительной смеси и их характеристики;
  
• Определены свойства заполнителя;
  
• Определен зерновой состав и модуль крупности песка;
  
• Определено содержания пылевидных и глинистых частиц;
  
• Определена насыпная плотность.
  

3. Разработана методика исследований.

В соответствии с требованиями были проведены следующие виды испытаний:

• определение расслаиваемости растворной смеси;
  
• определение водоудерживающей способности растворной смеси;
  
• определение предела прочности раствора на изгиб и сжатие;
  
• определение прочности сцепления в каменной кладке.
  

4. Проведено математическое моделирование эксперимента.

а) Составлена матрица планирования эксперимента [4].

Таблица - Результаты работ на участке с кадастровым номером 26:27:000000:121

№	Кодовое обозначение			Физическое обозначение
	X1 Опока	X2 Известь	X3 Песок	X1 Опока, %	X2 Известь, %	X3 Песок, %
1	0	1	0	20	25	55
2	0	0,667	0,333	20	21,67	58,33
3	0	0,333	0,667	20	18,33	61,67
4	0	0	1	20	15	65
5	0,333	0,667	0	23,33	21,67	55
6	0,333	0,333	0,333	23,33	18,33	58,33
7	0,333	0	0,667	23,33	15	61,67
8	0,667	0,333	0	26,67	18,33	55
9	0,667	0	0,333	26,67	15	58,33
10	1	0	0	30	15	55

б) Математическая модель эксперимента.

При планировании эксперимента использовалась следующая математическая модель:

неполный полином второй степени для трехкомпонентной системы

y = b₀ + b₁х₁ + b₂х₂ + b₃х₃ + b₁₂x₁х₂ + b₁₃x₁х₃ + b₂₃x₂х₃ + b₁₂₃x₁х₂х₃

где

b₀, b₁, b₂, b₃, b₁₂, b₁₃, b₂₃, b₁₂₃ - коэффициенты регрессии;

х₁, х₂, х₃ - факторы;

y-функция (параметр оптимизации).

После экспериментальной части обработка результатов проводилась с помощью программы "STATGRAPHICS".

С помощью этой программы определялись области оптимальных составов, коэффициенты регрессии, проведена проверка адекватности математической модели, получены поверхности отклика и их отображение посредством изолиний.

Проверка гипотезы адекватности полученной полиноминальной зависимости проводилась по критерию Фишера [2]. Отражением условия адекватности является соблюдение неравенства:

F_э < Fт (Р;f₁;f₂),

где F_э - экспериментальное значение критерия Фишера;

F_т - значение критерия Фишера определяемое по таблицам [2] в зависимости от доверительной вероятности Р, числа степеней свободы f₁ = r-1, f₂= N-r (N - количество опытов; r - градации воздействующего фактора.).

В результате испытаний были получены поверхности откликов и уравнения регрессии. Данные обрабатывались на ПК с помощью программы "STATGRAPHICS plus 5.0".

4. Проведены испытания:

4.1 Определение подвижности растворной смеси;

4.2 Определение плотности растворной смеси;

4.3 Определение расслаиваемости растворной смеси;

4.4 Определение водоудерживающей способности растворной смеси;

4.5 Определение предела прочности при изгибе и сжатии;

4.6 Определение средней плотности раствора;

4.7 Определение прочности сцепления в каменной кладке;

4.8 Определение усадки строительного раствора.

5. Заключение.

На основании теоретических предпосылок, экспериментально было доказано, что введение активной минеральной добавки оказывает положительное влияние на физико-механические показатели отделочных смесей и кладочных растворов.

Применение активной минеральной добавки привело к повышению основных характеристик отделочных смесей и кладочных растворов.

Следовательно, производство с использованием местных строительных материалов оказывается эффективным не только для решения экономических проблем, но и если не для окончательного решения экологических проблем, то хотя бы для частичного снижения нагрузки на окружающую среду. В перспективе эти отходы могут, утилизированы полностью, поскольку себестоимость таких материалов ниже, чем у материалов из первичного сырья. Утилизация техногенных отходов в строительстве, помимо экономических преимуществ, приводит к снижению антропогенных нагрузок. Утилизация представляет собой использование отходов в качестве вторичного сырья.

Сравнивая полученные в ходе испытаний данные с требованиями к строительным растворам, можно сделать вывод, что физико-механические свойства сухих строительных смесей на основе местных строительных материалов соответствуют требованиям ГОСТ 31357-2007 Смеси сухие строительные. Общие требования.

Анализ соответствия оптимального состава сухой строительной смеси на основе местных материалов требованиям ГОСТ.

1. Водоудерживающая способность растворной смеси 95,4 %.
   
2. Расслаиваемость свежеприготовленной смеси 6,36 %.
   
3. Средняя плотность, D, затвердевших растворов в проектном возрасте 1719 кг/м³.
   
4. Прочность раствора на сжатие в проектном возрасте 76,82 кгс/см², что соответствует марке М75.
   
5. Марка по подвижности для штукатурного раствора Пк2 (осадка конуса 7-8 см).
   

Наибольшая крупность зерен заполнителя не более: 1,25 мм, что соответствует требованиям, предъявляемым к накрывочному слою штукатурного раствора.

Прочность сцепления с бетонным основанием 4,37 кгс/см².

На основании проведенных исследований, можно сделать вывод, что разрабатываемая сухая строительная смесь соответствует требованиям ГОСТ 31357-2007 Смеси сухие строительные. Общие требования.

Библиографический список

1. Горшков В.С. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. - М.: Высш. шк., 1988 - 180 с.
   
2. Лещук Г.П. Статистические методы обработки экспериментальных данных. - Курган: ИП Сергеев И.Н., 2005. - 190 с.
   
3. Макишева Е.А. Современное строительство с современными добавками// Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. - 2005. - №12.
   
4. Некрасов В.Н. Многофакторный эксперимент. Планирование и обработка результатов. Учебное пособие. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 1998 - 146 с.
   
5. Прошин А.П. Новые отделочные сухие смеси // Строительные материалы. - 2006. - №1
   
6. Пустовгар А.П. Эффективность применения активированного диатомита в сухих строительных смесях // Строительные материалы. - 2006. - №10.
   

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости
   
10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ