Перспективы производства и применения легкого пористого заполнителя // Строительные материалы. 2005. № 7

Авторы:
Шлегель И. Ф. - канд. техн. наук, доктор, профессор РАЕН, генеральный директор, 
Шаевич Г.Я. - директор, 
Карабут Л.А. - к.т.н., начальник отдела, 
Тонких В.М. - инженер-химик, 
Носков А.В. - инженер-физик, 
Шишкин А.Г. - инженер-физик, 
Пашкова Е.Б. - инженер-технолог Института Новых Технологий и автоматизации промышленности строительных материалов (ООО «ИНТА- СТРОЙ», г. Омск)

Повышенные требования строительной теплотехники вызывают необходимость применения для ограждающих конструкций материалов с пониженной плотностью и высоким коэффициентом термического сопротивления. При традиционной кладке стен из таких материалов на обычном тяжелом растворе неизбежны потери тепла через так называемые «мостики холода». Поэтому является актуальным вопрос разработки составов «теплых» кладочных растворов. Отсутствие природных легких заполнителей в Омском регионе послужило причиной создания искусственного пористого заполнителя.

На сегодняшний день известен способ производства легких гранул – стеклопора [1,2]. Технологический процесс получения состоит из следующих основных операций: приготовление смеси из раствора жидкого стекла и технологических добавок, частичной дегидратации полученной смеси, ее грануляции и вспучивания гранулята.

Специалистами «Института новых технологий и автоматизации промышленности строительных материалов» разработаны опытная установка (рис.1) и оригинальная технология получения легкого пористого заполнителя (ЛПЗ), который является продуктом термического вспучивания гидратированного растворимого стекла. Основные технические характеристики гранул в сравнении с существующими легкими заполнителями представлены в таблице 1. 

Конструктивные особенности разработанной установки, а также совмещение процесса получения гранул и набора первоначальной прочности в одной технологической операции способствуют получению монофракции (рис.2), что является достоинством предлагаемого способа.

   

Низкая водостойкость пористых заполнителей на основе жидкого стекла не позволяет пока реализовать промышленное производство. Однако специальные добавки уже дают обнадеживающие результаты.

В настоящее время себестоимость ЛПЗ составляет около 1350 руб./м3. (Для сравнения: стоимость вермикулита от 1342 руб./м3; стоимость перлита 920-1900 руб./м3). 

При решении вопроса снижения стоимости сырья, путем получения жидкого стекла в едином технологическом процессе, становится реальным промышленный выпуск заполнителя и его широкое применение для производства сухих строительных смесей, теплых кладочных и штукатурных растворов. Результаты экспериментальных работ по определению свойств «теплых» кладочных растворов приведены в таблице 2.

 

Необходимо отметить, что благодаря хорошей адгезии гранул с цементным камнем, при испытании образцов «теплых» растворов разрушение происходит по самой грануле, а не по границе контакта заполнителя с цементной матрицей.

Особенности взаимодействия ЛПЗ с водой повлияли на условия хранения образцов-кубов теплых растворов. Способность гранул поглощать воду в начальный момент с постепенной отдачей в ходе гидратации цементного вяжущего требует своей методики подбора состава и приготовления растворов. 

Большой интерес вызвали исследования влияния вермикулитового песка на свойства битумов и асфальтобетонов [3]. Казалось невероятным, что 3 % вермикулита могут оказать существенное влияние. Поскольку ЛПЗ является аналогичным материалом, возникает вопрос о возможности его применения для модификации органических вяжущих веществ и асфальтобетонов.

Результаты предварительных экспериментов по модификации органических вяжущих веществ, проведенных в лаборатории института, представлены в таблице 3.
 

В качестве исходного использовался битум марки БНД 40/60, в который для приготовления битумоминеральной композиции, вводился ЛПЗ. Как следует из приведенных данных, показатель вязкости соответствует требованиям ГОСТ №22245-90 при концентрации ЛПЗ от 1% до 3 %, при этом оптимальное количество составляет 3 %. 

Снижение температуры хрупкости и увеличение температуры размягчения свидетельствуют о расширении рабочего температурного интервала, повышении теплоустойчивости органического вяжущего вещества.

Механизм этого явления пока не изучен, однако по нашим представлениям состоит в следующем. Взаимодействие пористых минеральных материалов с битумом сопровождается избирательным фракционированием компонентов битума; низкомолекулярная часть битума проникает через мелкие поры в глубь гранул. Вследствие этого битумные слои на поверхности минеральных зерен оказываются более обогащенными асфальтенами [4].

Таким образом, в случае применения пористых материалов адсорбционные слои битума на поверхности частиц несколько обедняются смолами и маслами. Битум становится более вязким по сравнению с исходным. Подобный эффект прослеживается при 0ºС и может быть связан с особенностями строения минерального материала. 

Задача, связанная с получением асфальтобетонов, способных одинаково хорошо противостоять образованию сдвиговых деформаций при высоких температурах и трещинообразованию при низких, достаточно сложна. Эта сложность обусловлена, прежде всего тем, что применяемые в настоящее время асфальтобетоны способны в большей степени изменять свои свойства с изменением температуры. В связи с этим придание рассматриваемым материалам необходимых свойств при высоких температурах часто сопряжено с ухудшением их свойств при низких температурах. Поэтому одной из важнейших задач повышения качества асфальтобетонов является повышение его термостабильности [4]. Эта противоречивая задача успешно решается добавкой 3 % ЛПЗ. 

В таблице 4 представлены результаты испытания асфальтобетона, модифицированного этой добавкой. Испытания проводились на горячей мелкозернистой асфальтобетонной смеси типа Б с битумом БНД 40/60 на минеральных материалах (гранитный щебень фракции 5-15 мм, кварцевый песок, известняковый минеральный порошок, ЛПЗ), на стандартных цилиндрических образцах асфальтобетона по ГОСТ 9128-97. 

 

Наилучшие результаты получены при добавлении легкого заполнителя в минеральную часть, т.к. в этом случае в процессе перемешивания с минеральными компонентами происходит более равномерное распределение заполнителя в асфальтобетоне. Наблюдается закономерное изменение плотности и водонасыщения асфальтобетона, модифицированного минеральной добавкой. 

На рис.3 показана зависимость предела прочности при сжатии образцов асфальтобетона от температуры при добавлении ЛПЗ в битум и минеральную часть. Добавление заполнителя в минеральную часть асфальтобетона способствует повышению трещиностойкости, что подтверждается понижением коэффициента трещиностойкости (Ктр = R0 / R50) /2/. По нашим предположениям и в соответствии с экспериментальными и теоретическими исследованиями /4/ при объединении битумов с карбонатными и основными минеральными компонентами в результате хемосорбционных процессов на границе раздела битум-минеральный материал возможно образование новых химических соединений, нерастворимых в воде. Об этом свидетельствует повышение длительной водостойкости образцов асфальтобетона, модифицированного ЛПЗ.

Следует согласиться с авторами [5], что в случае использования вспученного минерального компонента в составе асфальтобетона присутствует демпфирующий эффект за счет защемленного воздуха.

Общепризнано, что взаимодействие битума и минеральных материалов является решающим фактором структурообразования как в асфальтобетоне, так и в битумоминеральных системах. Необходимо более глубокое изучение данного вопроса. 

Таким образом, легкий пористый заполнитель является перспективным материалом для использования в различных областях строительной индустрии. Особая эффективность в составе асфальтобетона делает ЛПЗ незаменимым инструментом повышения качества дорожных покрытий.

Список литературы: 

1.Федоров В.А. О некоторых свойствах стеклопора как теплоизоляционного материала. // Строительные материалы. № 5. 1982. 
2.Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989. 
3.Агейкин В.Н. Исследование влияния вспученного вермикулитового песка на свойства битумных композиций и асфальтобетона. //Строительные материалы № 7. 2003г. 
4.Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтобетон. М.: Транспорт, 1985. 
5.Свинтицких Л.Е. Влияние дисперсности вспученного вермикулита на свойства битумного вяжущего и асфальтобетона. // Строительные материалы № 9. 2004г.