Строительство

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МЕЖДУНАРОДНАЯ АССОЦИАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ВУЗОВ ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ СТРОИТЕЛЬСТВО № 8-9 (632-633) Август-сентябрь 2011 г. Научно-теоретический журнал Издается с марта 1958 г. Выходит один раз в месяц Главный редактор В.Г. Себешев СОДЕРЖАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Игнатова А.М., Попов В.Л., Антонов Ю.Б., Вагин В.В., Игнатов М.Н., Чернов В.П., Ханов А.М. Рациональные направления использования камнелитых изделий из син­тетических минеральных сплавов в строительстве.  СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ УДК 691.002.3 А.М. ИГНАТОВА, В.Л. ПОПОВ, Ю.Б. АНТОНОВ, В.В. ВАГИН, М.Н. ИГНАТОВ, В.П. ЧЕРНОВ, А.М. ХАНОВ

РАЦИОНАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАМНЕЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИНТЕТИЧЕСКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ СПЛАВОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

Проведены обзорные исследования по изучению возможности конкуренции между камнелитыми изделиями из синтетических минеральных сплавов и традиционными строительными материалами. Доказано, что камнелитые изделия не только конкурентоспособны по отношению к традиционным материалам, но и превосходят их по ряду параметров. Экономические показатели применения камнелитых изделий свидетельствуют о рацио­нальности их использования в строительстве.

Ключевые слова: строительство фундаментов, тротуарные плиты, блоки, архитектурные каменные изделия, камень, каменное литье, синтетические минеральные сплавы.

Камнелитые материалы на основе синтетических минеральных сплавов (симиналов) в строительстве используются весьма ограниченно. Причина этого — отсутствие как технологических, так и экономически обоснованных рекомендаций по их рациональному применению.

Настоящее исследование посвящено обзору возможных наиболее рациональных направлений использования камнелитых изделий из симиналов в строительной индустрии.

Синтетические минеральные сплавы (симиналы) — недавно предложенное название для определения группы материалов, получаемых по технологии «каменного литья».

Симиналы получают из моно или многокомпонентной шихты, состоящей из различных горных пород основного и ультраосновного характера (габбро, базальты и диабазы) и/или подобных им техногенных отходов (доменный шлак, зольные отходы ТЭЦ, отвальные породы и т.д.). Основой для всех симиналов является диоксид кремния, структура симиналов представляет собой сочетание кристаллических и аморфных минеральных фаз, состав которых близок к природным материалам. От природных «аналогов» симиналы отличаются тем, что в их состав входит дополнительный набор металлов и оксидов, которые в природных минералах не соседствуют, кроме того структура симиналов более равномерная, а структурные агрегаты, как правило, меньше по размерам [1-3 и др.]. В рамках данного исследования рассматриваются в основном симиналы, синтезированные на основе габброидных и базальтоидных пород, их химический состав указан в табл.

Симиналы изготавливают из того же сырья, что и большинство минералооксидных строительных материалов, таких как бетон, цемент и т.д. Следовательно, камнелитую продукцию из симиналов можно внести в общую классификацию подобных строительных материалов. Так как камнелитые изделия и технология их получения относятся к разновидностям технологий, не имеющих широкого распространения, то основным признаком классификации считается именно освоенность технологии.

Классификация строительных материалов на минеральной основе.

Технология каменного литья, по которой и производится непосредственно потребительская продукция из симиналов, предполагает получение расплава, манипуляцию с ним и дальнейшую кристаллизационно-отжигательную обработку изделий. Разумеется, этот технологический процесс достаточно энергоемкий и продукция, производимая по такой технологии, может по стоимости превосходить материалы, выполненные по традиционным и хорошо освоенным технологиям.

Но если сравнивать по трудозатратности, то камнелитые изделия оказываются в весьма выигрышном положении.

Подобная ситуация позволяет говорить о том, что рациональность применения камнелитых изделий зависит прежде всего от вида рассматриваемой продукции. В зависимости от того, какие манипуляции производить с расплавом симиналов, можно получить широкий спектр изделий. В настоящее время наиболее освоенными являются следующие манипуляции с расплавом: заливка расплава (получение отливок), раздув расплава (получение волокна), производства ровинга (получение нитей, непрерывного волокна и тканей) и грануляция (получение сварочных плавленых материалов, т.е. флюсов). Все эти технологии взаимосвязаны, так как начальным этапом каждой из них является получение расплава. В данном обзоре нас в большей степени интересуют литые изделия.

Изготовление отливок позволяет получать монолитные изделия простой конфигурации, например, плиты, блоки и т.д., именно такие изделия востребованы в строительстве. Однако камнелитые изделия обладают комплексом свойств, которые во много раз превосходят свойства более известных и распространенных материалов.

Обзор основных физических и механических свойств камнелитых материалов и его традиционных аналогов

Следует отметить, что и срок службы камнелитых изделий в значительной степени превосходит срок службы аналогичных изделий из других материалов. Например, если рассматривать камнелитые плиты из симиналов как материал для дорожного покрытия, то становится очевидным, что его долговечность несомненно превышает общие показатели долговечности традиционных материалов.

Обзор показателей стоимости и долговечности дорожных покрытий.

Основными рабочими свойствами литых симиналов, эксплуатирующихся в агрессивных условиях, подобных тем, которые возникают при использовании их в качестве дорожного материала, являются твердость, износостойкость, высочайшая прочность при сжатии, морозо-, термо-, кислотостойкость и, конечно, долговечность. Особенно следует отметить среди них морозостойкость, так как она имеет рекордно высокий показатель, поскольку симиналы обладают практически нулевым водонасыщением. Для достижения комплекса основных свойств необходимо проводить кристаллизационно-отжигательную термическую обработку отливок непосредственно после заливки. В случае получения отливок в песчано-глинистых формах обработка проходит без извлечения отливок, в остальных случаях отливки из форм извлекаются. В процессе термообработки обеспечивается медленное затвердевание при высоких температурах и небольших скоростях, это позволяет получать кристаллическую структуру, которая собственно и определяет набор и уровень свойств продукции из симиналов. Говоря о долговечности камнелитых изделий, следует отметить, что именно она явилась фактором, тормозящим широкое распространение этого материала как в строительной индустрии, так и в других сферах. Она оказалась настолько высока, что некоторые изделия исправно работали и не требовали замены в течение более 20 лет. Предприятия просто не регулярно приобретали продукцию, из-за этого темпы и объемы производства не увеличивались.

Долговечность во многом зависит от другого весьма важного свойства продукции из симиналов — износостойкости. Камнелитые изделия из симиналов показывали одинаково высокие показатели долговечности в различных, даже весьма суровых условиях эксплуатации. Благодаря этому сфера применения камнелитых изделий из симиналов по настоящему велика, она не ограничивается промышленным и гражданским строительством, а охватывает и сферу специального строительства, включая:

• фундаменты, каналы ливнеприемников, канализационные сооруже­ния, шахты колодцев и другие строительные элементы сооружений;
• опоры мостов, элементы мостов для дробления льда, облицовка причалов и прочие гидротехнические сооружения;
• бордюры и отбойники дорог, дорожные плиты, элементы укрепления дорожных и железнодорожных откосов;
• защитная футеровка пневмопроводов для нужд стекольной и электроламповой промышленности;
• футеровка шаровых мельниц и изготовление мелющих тел для нужд лакокрасочной, эмалевой, карандашной и других отраслей промышленности;
• футеровка отводов пневмоподач в цементной и глиноземной промышленности;
• футеровка линий подачи зеленого щелока из содорегенерацион ных котельных в цеха подготовки щелоков для целлюлозной промышленности;
• термостойкая футеровка стартовых столов космических комплексов и пусковых шахт;
• термосплавоустойчивая футеровка электролизеров для получения магния и алюминия;
• контейнеры для радиационной и биологической защиты окружающей среды.

Большое влияние на срок службы камнелитых изделий оказывает и величина остаточных напряжений, образующихся в процессе формирования и отжига камнелитых изделий. Получение отливок из симиналов размером более 400x400x40 мм затруднено из-за возникающих напряжений, поэтому при их изготовлении применяется армирование стальной проволокой ᴓ 4-8 мм, показали, что при расчете несущих конструкций из камнелитых изделий можно использовать СНиПы, применяемые в строительной индустрии для изделий аналогичных конструкций. В качестве примера применения камнелитых армированных изделий в промышленном строительстве можно привести утяжелители для газопроводов ø 1420 мм взамен бетонных и чугунных для укладки их на переходах через реки, озера. Производились также и седловые утяжелители для трубопроводов ø 1420 мм весом 7 т для пригруза газопроводных труб в припойменных частях рек во время весенних подтоплений и в период наводнений.

Предел прочности на сжатие в камнелитых изделиях превышает прочность на изгиб в 10 раз, что создает определенные сложности в их эксплуатации. Камнелитая конструкция надежно эксплуатируется при условии, что все ее элементы работают только на сжатие. Поэтому, как правило, камнелитые изделия монтируются на цементном растворе или бетонном основании, которые исключают появление изгибающих нагрузок.

Наибольшим опытом по выпуску камнелитых абразиво- и термостойких плит, а также труб, футерованных камнелитыми вкладышами, обладает предприятие ОАО «Первоуральский завод горного оборудования». Его продукция используется на ведущих горно-обогатительных предприятиях как на территории РФ, так и за рубежом, в основном в странах СНГ. Кроме плит и футерованных труб, по данным предприятия, у потребителей пользуются спросом следующие камнелитые изделия из симиналов:

• камнелитые желоба.
• мультициклоны, футерованные каменным литьем.
• порошок кислотоупорный.

Кислотоупорный порошок представляет собой раздробленные до мелкодисперсного состояния отходы литья. Он необходим для создания вяжущего раствора, предназначенного для монтажа камнелитых деталей, на поверхности составных элементов готовой продукции.

Кроме монтажа на специализированный вяжущий раствор, сборка может осуществляться по методу пайки, такие соединения прочнее и значительно герметичнее, а за счет использования в качестве припоя силикатных форм такое соединение еще и не подвергается разрушению при нагреве, так как имеет почти одинаковое значение термического расширения непосредственно с самим материалом соединяемых деталей.

В гражданском строительстве камнелитые изделия могут использо­ваться для возведения городских коммуникаций. Большие проблемы для многих городов создают канализационные системы диаметром от 400 до 3600 мм, выложенные в основном железобетонными конструкциями. Срок службы таких канализационных систем не превышает 10-20 лет. Любая авария на магистрали, как правило, является катастрофой для городов, так как у них нет резервной линии. Один из самых надежных вариантов увеличения срока службы коллекторов — защита их камнелитыми облицовочными изделиями и желобами. В этом случае срок службы может быть увеличен до 30 лет и более. Такой смелый прогноз основан на примере шламопровода ø 1220 мм, футерованного камнелитыми износостойкими вкладышами, установленными на предприятиях Украины, он эксплуатируется до сих пор, т.е. почти 40 лет.

Наибольшее распространение камнелитые изделия получили в Европе, где много канализационных коллекторов, выложенных базальтовыми блоками, которые эксплуатируются столетиями. По этому пути пошли и чешские городские службы, защищая нижнюю половину коллектора фасонными камнелитыми плитами, а верхнюю половину и свод — красным кирпичом, гарантируя срок службы коллектора не менее 100 лет.

Разработана технология производства двухслойных канализационных труб «камень-бетон» с футеровкой внутренней поверхности камнелитыми трубами внутренним ø 400-1100 мм с гарантирован­ным сроком службы не менее 100 лет.

Заслуживает внимания и опыт российских коммунальных служб, которые во время ремонта канализационного коллектора в Санкт-Петербурге ø 2600 мм защитили его дно и стены камнелитыми плитами.

Перспективным направлением является замена чугунных и бетонных тюбингов на камнелитые при укладке их в метро. В Первоуральске была отлита опытная партия камнелитых тюбингов, которые установили на одной из вентиляционных камер линии Московского метрополитена.

Большое будущее и у термостойкого литья из симиналов, работающего при температурах до 900 °С. Это, в первую очередь, стены и своды камерных и тоннельных печей, а также наиболее подверженных температурному воздействию горячих зон производственных помещений. Армирование позволяет изготовлять отливки размером до 3,6 м с толщиной стенки до 250 мм.

Особенные перспективы существуют при использовании продукции из симиналов для охраны окружающей среды, места проживания и работы человека от радиационного излучения и воздействия токсичных материалов. Исследования по установлению стойкости камнелитых изделий при воздействии на них радиоактивного излучения были проведены Институтом проблем литья, Карельским научным центром РАН (г. Петрозаводск), НИЦГСП «Техноцентр» (г. Киев - Чернобыль) и ОАО «Первоуральский завод горного оборудования» (г. Первоуральск, Свердловская обл.). Ими было установлено, что радиоактивные отходы (РАО) первой и второй группы не воздействуют на прочностные свойства и структуру камнелитых изделий. РАО третьей группы незначительно (на 10-15 %) снижают прочностные свойства отливок за счет релаксации аморфной фазы. Петрургическое исследование базальтовых кернов с больших глубин (1,0-1,5 км), имеющих радиационную напряженность до 1000 миллирентген/час, также не обнаружили существенных изменений в структуре.

Опыт по производству контейнеров из симиналов для утилизации опасных отходов есть на уральском предприятии ОАО «ПЗГО». Однако на настоящее время практических примеров использования каменного литья в строительстве радиационной защиты нет.