В настоящее время в малоэтажном строительстве наблюдается дефицит стеновых материалов, особенно для частного сектора, из-за резкого сокращения объема деловой древесины. Проблему частично следует решить использованием арболитовых изделий с легким заполнителем на основе отходов деревообработки.
Как было исследовано ранее, арболит в условиях Якутии вполне возможно получить хорошего качества, используя не только отходы сосны и ели, но и даурской лиственницы – основной породы, произрастающей в лесах (86,9 %), тогда как сосна составляет 11,4 %, а ель – 1 % [1]. В 70-х годах прошлого века были построены из крупных арболитовых блоков 1–2-х этажные здания жилых домов, магазинов, гаражей и т.п., которые эксплуатируются до настоящего времени.
Нами исследовано тепловое расширение компонентов арболита – даурской лиственницы (проба Б) и цементного камня нормального твердения в диапазоне температур от 20 °С до – 70 °С на дилатометрической установке по методике МГСУ (МИСИ) [2]. Чтобы учесть влияние экстрактивных веществ даурской лиственницы, цементный камень получили при твердении цементного теста, затворенного на экстракте из опилок лиственницы (проба Б) в зависимости от времени выдерживания в воде комнатной температуры в течение 3, 6, 12 и 24 часов. Коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР) древесины даурской лиственницы вдоль волокон при 0 °С был равен приблизительно 5·10-6 1/ °С. Поперек волокон в радиальном и в тангентальном разрезах значение КЛТР – (50-40)·10-6 1/ °С.
Тепловое расширение цементного камня в воздушно-сухом состоянии практически не зависит от времени экстрагирования и условий твердения. На дилатометрических кривых этих образцов, насыщенных водой, не наблюдалось значительных аномалий при температуре –7 °С, которые, как правило, характерны для неморозостойких бетонов. В то же время вид кривых различен. Это свидетельствует о влиянии количества экстрактивных веществ на формирование капиллярно-пористой структуры цементного камня в арболите.
Установлено, что близкие значения КЛТР Бестяхского керамзита, даурской лиственницы и растворной части на керамзитовом песке предопределяет получение бетона, структура которого характерна для морозостойких бетонов. Одновременно возможность учета КЛТР компонентов по закону аддитивности позволяет расчетным путем определять температурные деформации материала и тем самым оптимизировать соотношение компонентов бетона по значениям КЛТР.
В целях изучения реальных факторов воздействия сурового климата на материал наружных ограждений применялся метод одностороннего воздействия переменных и низких отрицательных температур. 4 фрагмента арболитовой панели размерами 60×60×25 см испытывались при одностороннем воздействии низких отрицательных температур для определения теплозащитных качеств ограждения в лаборатории Испытательного центра «». Перед испытанием фрагментов определялась влажность по их сечению. Объемная масса арболита во фрагментах составляла 720–790 кг/м3. В термобарокамере в течение 2,5 суток (60 часов) сначала выдерживалась температура – 30 °С, а затем в течение других 2,5 суток поддерживалась температура – 60 °С для создания стационарного теплового режима. В конце каждого периода охлаждения производились замеры температуры на внешней поверхности фрагментов, температуры воздуха в помещении, в термобарокамере. В результате испытаний во фрагментах 1, 3 на внутренней и наружной поверхностях влажность уменьшилась на 3–4 %, тогда как в среднем сечении еще оставалась высокой. До достижения равновесной влажности стенового материала обычно проходит 2–3 года эксплуатации легких бетонов [3]. По этим результатам прогнозируется достаточная морозостойкость арболита, т.к. никаких повреждений не обнаружено.
Состав и основные физико-механические характеристики приведены в табл. 1.
В первые 2–3 года эксплуатации зданий в экстремальных климатических условиях г. Якутска проявляются усадочные деформации легких бетонов стеновых конструкций в виде сетки мелких трещин на отделочном слое из цементно-песчаного раствора, бетона и возможны другие виды дефектов.
С установлением стационарного температурно-влажностного режима в материале стен в отдельных случаях возможно снижение эксплуатационной стойкости из-за разности температурных деформаций компонентов бетона, которая проявляется в нарушении монолитности структуры легкого бетона.
Таблица 1
Состав и физико-механические свойства арболита
|
Серия |
Расход материалов на 1 м3 |
Характеристика арболита |
|||||
|
цемент, кг |
вода, л |
дробленка, фр. 2–10 мм, кг |
минерализатор, кг |
плотность кг/м3 |
предел прочности, кг/см2 |
||
|
при сжатии |
при изгибе |
||||||
|
111 |
380 |
420 |
250 |
гипс – 24; жидкое стекло – 7,6 |
772 |
18,5 |
3,2 |
С использованием дилатометрических методов были исследованы бетоны из местных материалов на влияние отрицательных температур. Термическая совместимость цементного камня с плотным заполнителем из песчаника довольно высокая, а с Бестяхским керамзитом и даурской лиственницей существенно ниже, следовательно, при многократных колебаниях температуры на границах (в контактной зоне) возможны значительные внутренние напряжения с образованием микротрещин.
Суровость климата Центральной Якутии оценивается по-разному (табл. 2) [3], но важными факторами являются: длительность зимнего периода с отрицательными температурами до – 64 °С, короткое, но жаркое лето с температурой до +39 °С, частые переходы через 0 °С в осенне-весенний периоды, что требует повышенных эксплуатационных свойств материала стен, в частности, по тепловой защите [4], морозостойкости, прочности, сохранения монолитности структуры.
Таблица 2
Интенсивность и частота колебаний температуры воздуха в г. Якутске
|
Наблюдаемый период |
Абсолютные значения |
Количество циклов |
||||
|
макс. полож. темп-ра, °С |
миним. отриц. темп-ра, °С |
годового хода температуры, °С |
замораживание-оттаивание с переходом 0 °С через |
нагревание-охлаждение без перехода через 0 °С |
||
|
в области отриц. темп-ры |
в области положит. темп-ры |
|||||
|
1 год |
35 |
56 |
91 |
61/68* |
90 |
51 |
|
50 лет (прогноз) |
38 |
65 |
103 |
3050/3400* |
4500 |
2550 |
Примечание: * над чертой – по наблюдениям, под чертой – с учетом тепла прямой солнечной радиации.
Для обеспечения долговечности арболита в этих условиях нами предложено использование разработанного на кафедре совместно с ЯПНИИС, МГСУ композиционного гипсоизвестково-цеолитового вяжущего (ГИЦВ) на основе местных сырьевых ресурсов, с оптимизацией составов, применением комплексных добавок [5]. С учетом этих особенностей разработана технология изготовления арболита на основе ГИЦВ с применением отходов деревоперерабатывающих предприятий.
Таблица 3
Физико-механические свойства арболита на основе ГИЦВ
|
№ п/п |
Наименование показателей |
Ед. изм. |
Величина показателей |
|
1 |
Расход вяжущего |
кг |
600 |
|
2 |
Расход древесной щепы |
кг |
150 |
|
3 |
Вода |
л |
552 |
|
1 |
Средняя плотность арболита в естественном состоянии |
кг/м3 |
850 |
|
2 |
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток |
МПа |
5 |
|
3 |
Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии |
Вт/(моС) |
0,17 |
|
4 |
Коэффициент размягчения |
– |
0,98 |
Используя методы математического планирования эксперимента, были изготовлены 9 опытных составов с различным расходом ГИЦВ и разной фракцией щепы. По итогам выполненных исследований выбран оптимальный состав, где расход ГИЦВ 600 кг/м3 и фракция заполнителя 10…40 мм. Физико-механические свойства оптимального состава приведены в табл. 3.
Полученный материал рекомендуется применять для строительства малоэтажных индивидуальных домов, толщина однослойных стен которых по теплотехническим расчетам для климатических условий Центральной Якутии составляет 0,6 м, а также нежилых помещений (гаражные и складские помещения), в т.ч. сельскохозяйственного назначения.