В древние времена человек использовал пластичные глинистые грунты для изготовления кирпича-сырца, используя их свойство приобретать твердость при сушке. Также строили глиняные постройки из строительного композита – самана, состоящего из смеси глины, воды, песка и резаной соломы. Саман служил доступным и эффективным материалом для постройки жилья. Дом получался относительно комфортным для проживания, обладая высокой огнестойкостью и достаточной долговечностью при соблюдении соответствующей защиты от попадания дождя и влаги. На сегодня, кроме традиционного саманного строительства, энтузиасты зеленого строительства строят экодома с использованием самана в виде кирпича-сырца и блоков [1–3]. Для них характерны невысокая прочность и низкая водостойкость. Поэтому для улучшения физико-механических свойств глинистых материалов применяют различные вяжущие вещества, пластификаторы, фибры и др. [4–6]. В технологии изготовления изделий из них применяют, кроме классического пластического формования, полусухое прессование, гиперпрессование, 3D-печать и др. [7–9]. Однако основным способом получения высококачественных изделий на основе глинистых грунтов является энергоемкое производство керамического кирпича [10].
В суровых климатических условиях Якутии керамический кирпич в г. Якутске начали производить малыми партиями с начала XVIII в. для строительства церковных и административных зданий. До сегодняшнего дня сохранились и восстановлены с десяток кирпичных зданий, что показывает их достаточную долговечность, несмотря на невысокое качество обожженного кирпича. В сельских условиях кирпич-сырец, в единичных случаях обожженный кирпич, производили в районных центрах, в основном для кладки печей.
Идея использования низкокачественных глинистых грунтов в создании безобжиговых композитов и на сегодня остается актуальной в малоэтажном и индивидуальном строительстве из-за доступности сырья и малой энергоемкости производства.
Цель исследования – изучение возможности использования низкокачественных глинистых грунтов Якутии в производстве безобжиговых строительных композитов.
Материалы и методы исследования
Экспериментальные работы выполнены с использованием стандартных методов на приборах и оборудовании Инженерно-технического института СВФУ.
В геологическом строении Усть-Алданского месторождения легкоплавких глин принимают участие отложения среднеплейстоценового возраста, представленные суглинками желто-бурыми, лессовидными, с частыми включениями растительных остатков, с тонкими прослоями тонкозернистого песка. Месторождение ранее было изучено только на стадии поисковых работ, в ходе которых было выполнено технологическое испытание сырья месторождения. Результаты испытаний показали, что сырье месторождения низкого качества пригодно только для производства керамического кирпича марки 50 [11]. Зерновой состав суглинков следующий, % мас.: фракции более 0,05 мм – 39,3; от 0,05 до 0,005 мм – 47,3; менее 0,005 мм – 13,4.
Химический состав суглинков, % мас.: SiO2 – 58,16–59,58; Fe2O3 – 4,95–6,11; Al2O3 + TiO2 – 15,97–17,21; CaO – 3,08–4,92; MgO – 2,74–3,71; п.п.п. – 7,87–8,88.
Инженерно-геологические изыскания c участием автора проводились на различном расстоянии от с. Борогонцы – районного центра Усть-Алданского района. Работы проводились проходкой шурфов, описанием выработок, отбором проб точечным методом и визуальным описанием площадок с привязкой их к ближайшим поселкам и обозначены на карте Республики Саха (Якутия).
Проба 1 отобрана на аласовой котловине термокарстового происхождения в 2 км от райцентра, западнее трассы Борогонцы – Соттинцы. Шурф сечением 1,25 м2. Суглинок серый, талый, с мелкими растительными остатками. Отбор пробы на глубине 0,8 м.
Проба 2 – в 7 км от трассы Борогонцы – Соттинцы, в 1 км к югу от участка Харанга Тордо, вблизи оз. Мюрю. Шурф сечением 1,25 м2, глубиной 0,7 м. Суглинок темно-серый, талый, с большим количеством растительных остатков.
Проба 3 – участок Куранах Алаас в 3,5 км южнее с. Ус-Кюель, маленький, термокарстового происхождения, имеется озеро с очень чистой прозрачной водой. В пределах аласа пройдено 3 шурфа с глубиной 0,7–0,85 м в крест простирания, сечение выработок 1,25 м2. После вскрытия растительного слоя мощностью 0,2 м ниже следуют темно-коричневые суглинки, с глубиной переходящие в темно-серые, очень плотные, талые.
Проба 4 – в 0,8 км западнее с. Бэрийэ на местности Танара Хайа. Пройдены 2 шурфа с сечением 1,25 м2 и глубиной 0,8 м. Почвенно-растительный слой – 0,2 м с остатками и корнями травянистых растений, ниже – суглинки темно-серые, талые, плотные.
Таблица 1
Свойства глинистых грунтов
|
№ |
Плотность, кг/м3 |
Общая влажность, % |
Пластичность |
Засоленность, % |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К) |
||
|
естественная |
скелет |
талый |
сухой |
||||
|
1 |
1,80 |
1,41 |
27 |
14 |
11 |
1,57 |
1,68 |
|
2 |
1,87 |
1,39 |
35 |
16 |
25 |
1,54 |
1,80 |
|
3 |
1,71 |
1,37 |
29 |
11 |
19 |
1,38 |
1,57 |
|
4 |
1,86 |
1,56 |
35 |
11 |
17 |
1,54 |
1,91 |
|
5 |
1,76 |
1,14 |
40 |
9 |
28 |
1,81 |
2,03 |
Проба 5 – в с. Кыллай пройдена скважина ручным комплектом бурения диаметром 89 мм, глубиной 1,0 м. Суглинки темно-бурые, заторфованные, с растительными остатками. Свойства глинистых грунтов приведены в табл. 1.
Лучшие показатели по пластичности имеют глинистые грунты из точек 1 и 2, которые могут быть пригодны для изготовления глиносырцового композита. В качестве органического наполнителя взяты древесные опилки.
Результаты исследования и их обсуждение
Приготовление смеси грунта естественной влажности и наполнителя из древесных опилок производили в стационарном бетоносмесителе с добавлением соответствующего количества воды. Изготовление образцов производили в металлических формах размерами 150×150×150 см способом механического уплотнения. В процессе лабораторных и построечных испытаний установлены оптимальные составы глиносырцовых смесей с наполнителем из древесных опилок (табл. 2 и 3).
Таблица 2
Состав глиносырцовой смеси для устройства стены и пола
|
Компонент |
Начальная влажность, % |
Количество, % мас. |
Объем, в частях |
|
Грунт |
10–12 |
70 |
3 |
|
Вода |
– |
20 |
1 |
|
Древесные опилки |
5-8 |
10 |
3 |
Таблица 3
Состав глиносырцовой смеси для устройства совмещенной кровли
|
Компонент |
Начальная влажность, % |
Количество, % мас. |
Объем, в частях |
|
Грунт |
10–12 |
55 |
2 |
|
Вода |
– |
25 |
1 |
|
Древесные опилки |
5-8 |
20 |
5 |
Определены состав и свойства глиносырцового композита для изготовления блоков (табл. 4).
Таблица 4
Состав и свойства глиносырцового композита
|
Свойства |
Содержание наполнителя, % мас. |
|||
|
15 |
12 |
8 |
5 |
|
|
Плотность, кг/м3 |
800 |
1000 |
1200 |
1400 |
|
Предел прочности на сжатие, МПа |
1,0 |
2,0 |
2,8 |
3,5 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К) в сухом состоянии |
0,18 |
0,25 |
0,36 |
0,44 |
Наибольшей прочностью обладают стеновые блоки с содержанием наполнителя в 5 % по массе. Для заполнения самонесущей стены в деревянно-каркасном строительстве был рекомендован глиносырцовый композит плотностью 800 кг/м3, имеющий коэффициент теплопроводности в сухом состоянии 0,18 Вт/(м×К).
Составы глиносырцового композита были использованы в деревянно-каркасном строительстве индивидуального дома с совмещенной кровлей. Натурные наблюдения за тепловлажностным режимом жилого дома в зимний период показали следующее:
1) температура воздуха в жилых комнатах в среднем составила 23°С, что вполне удовлетворяет нормативным требованиям;
2) относительная влажность внутри здания составила 24–64 %, что в среднем не превышает 50 %, что соответствует нормативным требованиям для жилых помещений;
3) температура поверхности деревянного пола – 14,5–16,8°С.
4) фактический коэффициент теплопроводности слоев глиносырцового композита с наполнителем из древесных опилок составил 0,33–0,36 Вт/(м×К), что близко к проектному значению.
5) фактическое сопротивление теплопередаче стеновых конструкций составило 0,92–0,96 (м2 ×К)/Вт, что примерно в 1,5 раза меньше требуемого (Rтреб. = 1,48 (м2 ×К)/Вт). Главной причиной невысокого уровня показателя тепловой защиты стеновой конструкции является высокая влажность глиносырцового композита в первый год эксплуатации.
В рамках продолжения НИР на базе сезонного кирпичного завода была выпущена опытная партия глиносырцового кирпича с наполнителем из древесных опилок в 5 % по массе объемом в 90 тыс. шт. (табл. 5).
Таблица 5
Свойства глиносырцового композита-кирпича пластического формования
|
Размеры, мм |
Плотность, кг/м3 |
Воздушная усадка |
Прочность при сжатии |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К) |
|
250×125×65 |
1400–1600 |
6–8 |
3,0–3,5 |
0,35–0,40 |
Таблица 6
Тепловлажностный режим жилого дома из глиносырцового композита
|
Средняя температура, °С |
Относительная влажность, % |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К) |
Сопротивление теплопередаче, (м2 ×К)/Вт) |
Влажность стенового материала, % |
|
|
1 этаж |
2 этаж |
||||
|
18–20 |
20–22 |
25–30 |
0,25–0,33 |
1,51–1,98 |
5–7 |
Таблица 7
Состав и свойства грунтоцементного композита
|
Состав, по объему |
Плотность, кг/м3 |
Прочность на сжатие, МПа |
Водопоглощение, % |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К) |
Морозо- стойкость |
|
Суглинок-63 + песок-37 |
2010 |
14,10 |
11,0 |
0,70 |
55 |
|
Суглинок-100 |
2030 |
11,41 |
17,0 |
0,55 |
10 |
|
Суглинок-63 + супесь-37 |
1950 |
7,96 |
16,0 |
0,56 |
40 |
|
Суглинок-63 + опилки-37 |
1710 |
7,26 |
25,0 |
0,52 |
16 |
|
Суглинок-63 + торф-37 |
1600 |
4,10 |
28,0 |
0,47 |
15 |
Морозостойкость составила не ниже 15 циклов, определенная методом термоциклирования при абсолютной влажности воздуха не выше 90 %.
Результаты натурных наблюдений, проведенных на втором году эксплуатации, показали, что тепло-влажностный режим жилых помещений и теплофизические показатели использованных строительных композитов соответствуют расчетным значениям (табл. 6).
Таким образом, по результатам лабораторных и натурных исследований (табл. 1–6) установлено, что глиносырцовый композит с наполнителем из природных органических материалов (например, древесные опилки, солома, мох и др.) может конкурировать с легкими бетонами по многим строительно-эксплуатационным характеристикам, кроме низкой водостойкости и размокаемости.
Для повышения водостойкости и прочности глиносырцовых композитов, как обычно, в исходную смесь дополнительно вводят вяжущее вещества, в большинстве случаев портландцемент. В таком случае получается грунтоцементный композит – грунтобетон.
Образцы грунтобетона изготовлены способом полусухого прессования 10 МПа на основе глинистого грунта 3 по табл. 2. В качестве минерального наполнителя использовали речной песок и супесь, органического наполнителя – древесные опилки и торф, вяжущего вещества – портландцемент марки ЦЕМ I 32,5Б – 10 % мас. (табл. 7).
Как видно из табл. 7, с введением органического наполнителя прочностные показатели уменьшаются практически в 2 раза. Однако коэффициент теплопроводности уменьшается на 25,7 %, что указывает на повышение теплозащитных качеств грунтоцементного композита. Поэтому для выпуска опытной партии стеновых блоков был выбран состав с наполнителем из древесных опилок со следующими характеристиками: плотность в сухом состоянии – 1300–1550 кг/м3, марка по прочности на сжатие – 20–25, водопоглощение – 16–23 %, коэффициент теплопроводности – 0,35–0,45 Вт/(м×К), морозостойкость – 15–25.
Таблица 8
Свойства прессованного грунтоцементного композита
|
Цемент, % |
Прессование, МПа |
|||
|
2,5 |
5,0 |
10,0 |
15,0 |
|
|
W0 = 15 % |
||||
|
3 |
3,2/21,7* |
4,1/17,7 |
6,9/19,5 |
9,0/14,8 |
|
5 |
4,8/15,6 |
5,5/16,8 |
7,8/13,8 |
12,4/15,6 |
|
8 |
5,0/14,8 |
7,0/13,2 |
8,7/10,5 |
13,2/12,9 |
|
W0 = 15 % |
||||
|
3 |
6,3|14,8 |
6,9/15,6 |
7,6/13,2 |
8,9/13,6 |
|
5 |
6,5/13,1 |
7,7/11,3 |
8,6/13,3 |
12,6/14,2 |
|
8 |
7,7/12,4 |
10,1/11,3 |
12,5/10,8 |
14,1/12,0 |
Примечание: * – в числителе – прочность на сжатие, в знаменателе – водопоглощение.
Таким образом, оптимальный вариант получения грунтоцементных композитов с заданными свойствами заключается в применении технологии полусухого прессования с одновременной стабилизацией материала введением вяжущих веществ. Испытания производились с составом грунтоцемента: суглинок 70 % + речной песок 30 % + портландцемент ЦЕМ I 32,5Б (3, 5 и 8 % к грунтовой смеси). Получены зависимости прочности на сжатие и водопоглощения грунтоцементного композита от усилия прессования и начальной влажности грунтовой смеси W0 (табл. 8).
Заключение
Из вышеприведенных результатов лабораторных и натурных исследований установлено, что в отдаленных от промышленных центров районов Севера и Арктики вполне приемлемым вариантов может быть организация малых производств строительных композитов на основе доступных глинистых грунтов с различными наполнителями из природного и техногенного сырья. Следует отметить, что технология создания строительных композитов из глинистых грунтов требует доработки для конкретного района строительства с учетом наличия сырья и энергетических ресурсов.