Государственная программа ориентированных фундаментальных исследований «Строительство и архитектура» (2006–2010 гг.) – в интересах отрасли и государства

«Строительство и архитектура 50» «Разработка физико-

химических основ создания керамического кирпича и мертеля повышенной термостойкости на основе природного сырья Республики Беларусь для строительства печей различного назначения». Научный руководитель канд. техн. наук Дятлова Е.М. Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет», кафедра «Технология стекла и керамики».

В ходе выполнения задания «Строительство и архитектура 50» на основании проведенных экспериментальных исследований разработана научная концепция и пути создания термостойкого керамического кирпича для кладки печей бытового, коммунального и другого назначения. Научная концепция заключается в необходимости повышения механической прочности и теплопроводности, снижении теплового коэффициента линейного расширения (ТКЛР), создании оптимальной макро- и микроструктуры материалов, уменьшении количества свободного кварца в его фазовом составе. Эти требования обеспечиваются за счет использования в составе керамических масс комбинации белорусских глин с различным хи- мико-минералогическим составом; подбора оптимального вида отощителя, его количества и зернового состава; введения в состав модифицирующих добавок с целью регулирования фазового состава, а также вида и количества цементирующей стекловидной фазы; оптимизации технологических параметров производства изделий (метод и режим формования, температурно-временные параметры обжига). Керамический кирпич в кладке печи эксплуатируется в композиции с кладочным раствором (мертелем), который должен обладать практически одинаковыми с печным кирпичом термомеханическими свойствами, иметь повышенную адгезию к его поверхности, низкую газопроницаемость.

Для использования керамического кирпича в качестве кладочного материала бытовых печей и каминов его термостойкость должна составлять не менее 50 теплосмен. В связи с этим, на промышленных и опытных образцах керамики выполнен сравнительный анализ по термомеханическим и другим показателям продукции восьми ведущих керамических заводов РБ, выпускающих кирпич. Изучено поведение опытных образцов в условиях резкого термоциклирования. Рассчитаны критерии термического сопротивления для всех

121

исследованных материалов. Установлено, что более высокой термостойкостью обладает керамический кирпич, выпускаемый ОАО «Керамика» (г. Витебск) и ОАО «Минский завод строительных материалов» (г. Минск).

Исследованы термические свойства и изучены структурные особенности природного алюмосиликатного и техногенного сырья Республики Беларусь и определены пределы содержания компонентов шихтовых композиций. Синтезированы керамические материалы на основе выбранных композиций, включающих каолин, тугоплавкую и легкоплавкие глины, алюмосиликатный шамот и дегидратированную глину. Исследованы их физико-химические свойства

иустановлены закономерности влияния химико-минералогического состава алюмосиликатного сырья, гранулометрического состава отощителя, метода формования и температурных условий синтеза на физико-химические свойства керамических материалов.

Изучен фазовый состав и структура керамических материалов. Исследовано поведение опытных образцов в процессе длительного термоциклирования. Оптимизированы составы керамической массы

итехнологические параметры для получения печного кирпича. В результате проведения оптимизации установлен оптимальный состав и технологические параметры получения термостойкого керамического кирпича на основе тугоплавкого и легкоплавкого глинистого сырья применительно к технологическому процессу, используемому на предприятии ОАО «Минский завод строительных материалов»: шихтовой состав, содержащий, %: 30-40 легкоплавкой глины месторождения «Лукомль», 30-50 тугоплавкой глины месторождения «Городное», 25-30 шамота алюмосиликатного, 5 бой термостойкого керамического кирпича; использование двухфракционного состава шамота алюмосиликатного с соотношением крупной фракции (3-1 мм) к мелкой (менее 0,5 мм) как 1:1; способ формова-

ния изделий – пластический; температура обжига 1050±20°С. Осуществлен выпуск двух опытных партий термостойкого кера-

мического кирпича и кладочного раствора (связующего мертеля) в условиях ГП «Институт «НИИСМ» и ОАО «Минский завод строительных материалов» и проверены их эксплуатационные характеристики в аккредитованных лабораториях. Следует отметить, что при изготовлении первой опытной партии керамического кирпича для кладки бытовых печей наблюдалось образование свилеватости,

122

обусловленной недостаточно совершенной винтовой системы пресса и появление S-образных трещин после обжига. В связи с этим термостойкость кирпича составила 3 теплосмены, что значительно ниже результатов полученных в лабораторных условиях. Следует отметить, что термостойкость обыкновенного полнотелого керамического кирпича, выпускаемого в настоящее время, составляет 1 теплосмену. Остальные физико-технические характеристики кирпича соответствуют требованиям, предъявляемым к тугоплавкому кирпичу.

Совместно со специалистами ГП «Институт «НИИСМ» проведена корректировка фракционного состава отощителя – шамота алюмосиликатного, в результате которой увеличен максимальный размер крупной фракции до 3 мм, повышено общее содержание отощителя до 25-30 % при соотношении крупной фракции к мелкой (менее 0,5 мм) как 1,5:1. В ноябре 2010 г. изготовлена вторая опытная партия кирпича для кладки печей из откорректированного состава массы в условиях опытного производства ГП «НИИСМ» и ОАО «Минский завод строительных материалов». Обжиг кирпича производился в электрической печи ГП «НИИСМ», а также ОАО «Минский завод строительных материалов» в туннельной газовой печи при максимальной температуре обжига 985°С и длительности 5 ч. Результаты испытаний керамического кирпича из второй партии в аккредитованных лабораториях этих организаций свидетельствуют о том, что его свойства соответствуют требованиям, предъявляемым к тугоплавкому кирпичу и он может быть рекомендован для кладки бытовых и других низкотемпературных печей.

Разработаны оптимальные составы мертелей, согласующиеся по свойствам с керамическим материалом для печного кирпича, имеющие близкий к нему ТКЛР и обеспечивающие кладочному раствору повышенную термостойкость. Откорректирована рецептура мертеля в соответствии с характеристиками термостойкого керамического кирпича, %: 35 глинистой составляющей (легкоплавкая глина месторождения «Лукомль» и тугоплавкая глина месторождения «Городное» в соотношении 1:2), 45 отсевов теннисита (бой термостойкого керамического кирпича), 19,6 низкоактивного вяжущего (конвертерный шлак БМЗ) и 0,4 (сверх 100 %) водоудерживающей добавки (продукт переработки кубового остатка производства искусственного волокна). Испытания кладочного раствора на основе

123

мертеля оптимального состава, изготовленного в ОДО «Лесохимик», на прочность сцепления с основанием (керамическим кирпичом для кладки бытовых печей), а также при сжатии и изгибе по СТБ 1307 в аккредитованной испытательной лаборатории ГП «Институт «НИИСМ» показали, что по своим свойствам мертель может быть рекомендован для кладки бытовых печей.

Исследованы кладочные композиции «керамический материал– мертель», их поведение при нагревании. Установлена взаимосвязь между составом и связующими свойствами мертелей (адгезия, водоудерживающая способность, прочность сцепления с керамическим материалом); установлена закономерность влияния градиента температур на фазовый состав мертеля и свойства композиции «керамический материал–мертель».

Разработаны проекты технологических регламентов производства керамического кирпича для кладки бытовых печей и термостойкого мертеля применительно к технологическому процессу и механическому оборудованию, используемому на предприятии ОАО «Минский завод строительных материалов». Полученные керамические и связующие материалы, обладающие комплексом повышенных термомеханических свойств, могут быть рекомендованы для организации производства термостойкого кирпича и мертеля на этом предприятии.

Результаты НИР явились основой при разработке инновационного проекта, направленного на подготовку к организации производства термостойких керамического кирпича и связующего мертеля на ОАО «Керамика» (г. Витебск).

Разработанные керамические и связующие материалы, обладающие комплексом повышенных термомеханических свойств, рекомендованы для организации производства термостойкого кирпича и мертеля для кладки и ремонта низкотемпературных печей различного назначения.

«Строительство и архитектура 51» «Исследование физико-

химических и металлургических процессов механизированной сварки в защитных газах при строительстве жилых и промышленных зданий и сооружений в условиях ветровых нагрузок, разработка технологическо-конструкторских рекомендации по сварке на открытых площадках в строительной отрасли». Научный руководи-

124

тель чл.-корр., д-р техн. наук Пантелеенко Ф.И. Белорусский национальный технический университет, НИИЛ сварки родственных технологий и неразрушающего контроля.

В ходе исследований по заданию «Строительство и архитектура 51» установлены особенности и закономерности газодинамических и металлургических процессов при формировании сварных соединений в условиях негативного воздействия ветровых потоков различных скоростей и направлений на базе математических моделей физических процессов с использованием разработанных методик и современных программных пакетов LS-DYNA и Ansys CFX на суперкомпьютере СКИФ К-1000.

Разработаны технологические рекомендации по механизированной сварке в защитных газах на открытых строительных площадках с применением новых двухпоточных (осевой и тангенциальный газовые защитные потоки) конструкций сопел сварочных горелок, современного энергоэффективного сварочного оборудования инверторного типа, что позволяет обеспечить эффективное выполнение механизированной сварки в защитных газах проволоками диаметром не более 1,2 мм при скорости ветра до 10 м/с без специальных защитных укрытий. Разработана комплексная установка для испытаний сварочных горелок и отработки технологических процессов механизированной сварки в защитном газе в условиях заданных ветровых воздействий максимально приближенных к производству строительномонтажных работ. Проведена исследовательско-производственная аттестация технологии сварки в условиях ветровых потоков в соответствии с международным стандартом СТБ ISO 15614-1.

На основании полученных результатов проведен расчет эффективности применения механизированных процессов сварки при монтаже стыков колонн жилых зданий серии М464-9М, выполняемых персоналом ОАО «МАПИД», что позволит повысить производительность труда сварщика до 200 % и уменьшит затраты на сварочные материалы. При среднем объеме сварки монтажных стыков колонн серии М464-9М до 1800 шт/год экономия средств может составить порядка 25 млн. рублей.

Практическое использование адаптированных к особенностям строительных объектов технологических рекомендаций позволит расширить применение современных механизированных процессов сварки в защитных газах в строительной отрасли и обеспечит тех-

125

ническую нормативную базу по сварке при проектировании сварных конструкций, подготовке и выполнении строительномонтажных работ технологическим и линейным персоналом производственных предприятий, как строительной отрасли, так и других предприятий народного хозяйства республики Беларусь (энергетика, металлургия и т.д.).

«Строительство и архитектура 52» «Разработка лазерно-

электроискрового спектрометра и методического обеспечения контроля содержания хлоридов в строительных материалах и изделиях на основе цемента». Научный руководитель академик, д-р физ.-мат. наук Бураков В.С. Государственное научное учреждение «Институт физики им. Б.И. Степанова», лаборатория лазерной диагностики плазмы.

Входе исследований по заданию «Строительство и архитектура 52» созданы и оптимизированы для экспертизы химического состава (наличия и накопления агрессивных компонентов, поступающих извне, прежде всего хлора) бетонных строительных материалов

иэлементов конструкций стационарные оптические эмиссионные спектрометры коллективного пользования:

–с лазерно-электроискровой атомизацией;

–двухимпульсной лазерной абляцией анализируемого матери-

ала.

Разработано методическое обеспечение измерений. Выполнены экспертные определения химического состава (уровня хлора и др.) материала строительных конструкций на аварийных объектах. Разработаны, оптимизированы и апробированы на практике калибровочные и безэталонные методики лазерного экспресс-контроля химического состава материалов на основе цемента, включая анализ входного сырья, текущий мониторинг изменения штатного состава конструкций в зонах и условиях повышенного риска.

Входе исследований разработан лазерно-спектроскопический метод определения эффективности фильтров для текущего мониторинга загрязнения биосистемы хлоридами, наносимыми на дорожные покрытия. Данный метод распространен на контроль содержания токсичных элементов и тяжелых металлов в материалах и образцах биологического происхождения, а также на контроль уровня содержания хлора в технологических материалах. Создан прототип мо-

126

бильного лазерного спектрометра (схема представлена на рис.24) и специализированное методическое обеспечение для проведения экспертизы на загрязнение хлоридами и др. бетонных строительных конструкций, экологических образцов в полевых условиях.

«Строительство и архитектура 53» «Разработка научно-

технологических основ прогнозируемого управления процессами структурообразования при твердении эстрих-гипса с целью получения на его основе сухих строительных смесей повышенной прочности и водостойкости». Научный руководитель канд. техн. наук Мечай А.А. Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет», кафедра «Химическая технология вяжущих материалов».

Рисунок 24 – Схема лазерно-электроискрового спектрометра

В ходе исследований по заданию «Строительство и архитектура 53» были разработаны составы сухих строительных смесей различного назначения на основе эстрих-гипса путем подбора оптимальных составов вяжущего, заполнителя, наполнителя и функциональных добавок.

Эффективными активаторами процесса гидратации высокообжигового гипсового вяжущего явились фторид натрия, кремнефторид натрия, сульфат алюминия в сочетании с фторидом натрия и глиноземистый цемент. Для нейтрализации вредных кислых примесей сырьевые смеси включали карбонатный компонент в виде мела.

127

Карбонат кальция нейтрализует вредные кислые примеси и переводит в нелетучие нерастворимые соединения. Также при декарбонизации CaCO3 образуется свободный CaO, который является активатором процесса гидратации нерастворимого ангидрита, образующегося в процессе обжига фосфогипса и имеет низкую гидратационную активность.

Получены высокообжиговые гипсовые вяжущие со следующими свойствами: предел прочности при сжатии в возрасте 3 суток – 19–33 МПа, в возрасте 28 суток – 27–47 МПа, сроки схватывания: начало – 30 мин–2 ч., конец – 1–4 ч, коэффициент водостойкости Кв = 0,6–0,8.

Для интерпретации полученных результатов были проведены рентгенофазовый, дифференциально-термический анализы продуктов гидратации эстрих-гипса, которые позволили установить более полную степень гидратации ангидрита в присутствии добавокактиваторов, что приводит к значительному увеличению прочности. С целью изучения микроструктуры затвердевшего гипсового камня был проведен электронно-микроскопический анализ продуктов гидратации эстрих-гипса. При затворении ВГВ находящийся в его составе CaO гасится с образованием Ca(OH)2, который вступает во взаимодействие с вводимыми добавками по следующим реакциям:

Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3;

Ca(OH)2 + SiO2 + nH2O = CaO ∙ SiO2 ∙(n + 1)H2O; Ca(OH)2 + 2NaF = CaF2 + 2NaOH;

3Ca(OH)2 + Al2(SO4)3 +2H2O = 3CaSO4·2H2O + 2Al(OH)3; 2Ca(OH)2 + Na2SiF6 = 2CaF2 + 2NaF + Si(OH)4.

Гидроксид натрия ускоряет процесс гидратации ангидрита за счет увеличения его растворимости, способствуя набору прочности в ранние сроки твердения. Низкоосновные гидросиликаты кальция, являющиеся продуктами взаимодействия Ca(OH)2 с аморфным SiO2 кремнегеля, формируют прочный водостойкий каркас, что также приводит к уплотнению твердеющей системы. Образующиеся при взаимодействии Ca(OH)2 с карбонатом, фторидом и кремнефторидом натрия нерастворимые соединения (CaF2, CaCO3) заполняют поры твердеющего гипсового камня, что способствует формированию плотной водостойкой структуры. Гелеобразные гидроксид

128

алюминия и кремнекислота в виде пленки покрывают кристаллы двуводного гипса, повышая водостойкость продуктов гидратации.

Структура гипсового камня с активирующей добавкой более плотная, что связано с образованием в порах нерастворимого CaF2. Кроме того, образующийся в твердеющей системе NaOH способствует большей степени гидратации, о чем свидетельствует наличие повышенного количества пластинчатых, волокнистых и призматических кристаллов дигидрата сульфата кальция.

Следующим этапом исследований была разработка составов сухих строительных смесей различного назначения на основе эстрихгипса путем подбора оптимальных составов вяжущего, заполнителя, наполнителя и функциональных добавок.

Для штукатурных смесей не требуются высокие прочностные показатели, поэтому помимо фракционного песка был использован карбонатный заполнитель для снижения плотности раствора и достижения рационального гранулометрического состава. В качестве минеральных добавок применялся портландцемент ПЦ500 Д0 для улучшения адгезии смеси к основанию поверхности. Для управления процессом структурообразования в сухие штукатурные смеси вводили химические добавки – регуляторы схватывания, водоудерживающие, загущающие и редиспергируемые полимерные порошки.

Апробация смесей проходила в аккредитованной лаборатории предприятия по выпуску сухих строительных смесей ЗАО «Пралес- ка-ТМФ» (Минская область).

Водоудерживающая способность штукатурных растворов 98,8 %; сроки схватывания: начало – 1–1,3 ч., конец – 1,9–2,5 ч.; прочность сцепления с основанием – 1–1,25 МПа; прочность при сжатии в возрасте 3 сут. – 2,8–4,1 МПа, а в возрасте 7 сут. – 4,2–5,2 МПа. Водопоглощение при капиллярном подсосе для всех составов составляло не более 1 кг/м2. Трещины в слое проектной толщины отсутствовали. Важным свойством является время жизни штукатурных растворов после нанесения на поверхность стен. Данное свойство оценивалось визуально. Время жизни раствора для смесей на основе традиционных гипсовых вяжущих составляло 40-9 мин., для смесей на основе высокообжиговых гипсовых вяжущих – не менее 6 часов.

Кроме штукатурных смесей были разработаны составы сухих напольных смесей на основе эстрих-гипса.

129

Экспериментальная проверка показала, что в зависимости от содержания минерального заполнителя показатели прочности затвердевшего раствора на сжатие изменяются в достаточно широком диапазоне от 7 до 20 МПа, а прочность сцепления с основанием пола от 0,25 до 1 МПа. Установлено, что высокая прочность раствора достигается только при применении фракционированного кварцевого песка следующего зернового состава: фракция 0-0,16 мм –

19,7 %; 0,16-0,315 мм – 30,0 %; 0,315-0,63 мм – 25,15 %; 0,63-2,5 мм

– 25,15 % по массе и химических добавок, позволяющих снизить водопотребность растворных смесей до В/Т = 0,2-0,25.

Также были разработаны шпатлевочные составы, предназначенные для заделки раковин, неровностей (глубиной до 2 мм) на основаниях из бетона и штукатурки. Для приготовления шпатлевочных составов следует использовать минеральные наполнители со степенью дисперсности не более 0,2 мм.

Показатели качества шпатлевок должны соответствовать требованиям СТБ 1263-2001. Водоудерживающая способность шпатлевочных растворов 97,0 %; сроки схватывания: начало – 15–20 мин,

По своим физико-механическим свойствам разработанные составы штукатурных и шпатлевочных смесей соответствуют СТБ 1263-2001 «Композиции защитно-отделочные строительные. Технические условия», а разработанные составы сухих напольных смесей соответствуют СТБ 1307-2002 «Смеси растворные и растворы строительные». Разработанные составы сухих смесей могут составить конкуренцию традиционным смесям на основе строительного гипса и портландцемента.

«Строительство и архитектура 54» «Исследование микровол-

новых методов и создание первичных преобразователей для экспрессного контроля влажности строительных материалов и конструкций». Научный руководитель канд. техн. наук Любецкий Н.В. Государственное научное учреждение «Институт прикладной физики НАН Беларуси», лаборатория радиоволновых методов контроля.

По заданию «Строительство и архитектура 54» разработаны новые микроволновые методы переменной частоты для контроля

130