СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- анализ полученных показателей и ориентировочное определение возможной области использования;

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

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

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

- подбор состава материала с использованием математического метода планирования;

- отработка и корректировка технологических параметров в лаборатории;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные свойства связующих представлены в таблице 14.1.

Таблица 14.1