Инновационные технологии в области производства строительных материалов

       К несомненным достоинствам компактных  измельчительных агрегатов следует отнести снижение установленной мощности оборудования за счет использования наиболее рациональных способов разрушения конкретного вида материала, уменьшение протяженности транспортных линий подачи сырья, а также готового продукта. Именно благодаря созданию агрегатов измельчения низкой энергонагруженности и небольших масса - габаритных показателей, западные производители смогли полностью решить проблему оперативной переработки отходов производства для их утилизации либо повторного использования. Однако подобный подход позволил не только полностью решить задачу переработки отходов основного производства, но и, что особенно важно, сделал возможным создание малогабаритных технологических узлов подготовки сырья [3].

       Таким образом, применение малогабаритных  агрегатов измельчения не ограничивается одной лишь переработкой отходов, еще одной областью применения измельчительного оборудования являются подготовительные работы, связанные с получением материалов заданных гранулометрических показателей. Зачастую, правильно подобранные составы с учетом оптимального размера частиц, их формы и структуры поверхности, способны кардинально улучшить эксплутационные характеристики материалов на их основе. В большинстве случаев увеличение дисперсности материалов, повышение реологической активности поверхности частиц вызывает ускорение ряда физико-химических процессов. Именно состояние поверхности межфазового контакта и определяет интенсивность процесса в целом. Измельчение пористых, волокнистых и пластичных материалов различной природы открывает широчайшие возможности получения композиционных материалов. Получение некоторых видов композиционных материалов было бы совершенно не возможно без широкого использования измельчительных агрегатов подготовки сырья.

     Компактные  измельчительные агрегаты низкой энергонагруженности способны кардинально изменить сложившуюся ситуацию в производстве некоторых видов современных строительных материалов, в частности полистиролбетона.

       Являясь относительно «молодым»  строительным материалом полистиролбетон плотностью 200-600 кг/м3 в настоящее время активно используется для монолитной теплоизоляции однослойных ограждающих конструкций, а также для производства стеновых блоков, перемычек и целого ряда других теплоизоляционных изделий. На основе вспененных гранул полистирола были разработаны и нашли широкое применение в строительстве «теплые» штукатурные смеси. На сегодняшний день именно полистиролбетонный утеплитель является практически безальтернативным материалом для теплоизоляции горизонтальных и вертикальных стыков наружных стен крупнопанельных строений. По мнению специалистов именно полистиролбетон марки по средней плотности D400-D600 является наиболее перспективным материалом для возведения однослойных ограждающих конструкций полностью отвечающих современной концепции энергоресурсосбережения в строительстве. По физико-механическим, а также теплотехническим свойствам полистиролбетон превосходит такие популярные строительные материалы как газобетон, пенобетон, газосиликат, минераловатные и пенополистирольные утеплители.

       Однако, относительно высокая стоимость  полистиролбетона по сравнению  со стоимостью некоторых других  видов теплоизоляционных строительных  материалов (например, ячеистого бетона) сдерживает продвижение этого  материала на отечественные стройки. В результате применение полистиролбетона в строительстве в основном ограничивается работами по устройству теплоизоляционных покрытий, когда по ряду причин применение других материалов экономически не целесообразно, либо попросту не возможно.  

       В настоящее время именно относительно высокая стоимость полистиролбетона мешает ему занять подобающее место в ряду теплоизоляционно-конструкционных строительных материалов массового применения.

       Однако пути кардинального снижения  стоимости этого уникального  строительного материала существуют! По этому пути должно развиваться любое «цивилизованное» производство, в том числе и производство строительных материалов. Этот путь — производство высококачественного заполнителя требуемых гранулометрических характеристик из низкосортного сырья и переработка отходов! Тем более что дробление вспененных полистирольных гранул позволяют придать строительным материалам на их основе совершенно уникальные свойства.

       Для того чтобы понять, какое  влияние на основные свойства  полистиролбетона оказывает размер, форма и, что немаловажно, стоимость заполнителя, необходимо рассмотреть структурные составляющие этого композиционного строительного материала с точки зрения непреложных законов бетоноведения.

       Итак, полистиролбетон ГОСТ Р  51263-99 - это легкий бетон на цементном вяжущем и пористом заполнителе. В качестве пористого заполнителя для производства полистиролбетона используются вспененный гранулированный полистирол. Гранулы полистирола требуемой плотности получают путем одно, либо многоступенчатого вспенивания суспензионного вспенивающегося полистирола. В зависимости от качества сырья и условий вспенивания получаемый полистирольный заполнитель имеет плотность от 10 до 30 кг/м3. Полистирольный заполнитель по размерам гранул подразделяют на крупный (5-20мм) и мелкий (0-5мм). Принимая во внимание малый объемный вес вспененных полистирольных гранул, которые на 90- 98% состоят из воздуха, можно с уверенностью утверждать, что на сегодняшний день, именно вспененный полистирол наиболее эффективный заполнитель для бетона изоляционно-строительного назначения. При этом характер пористости гранул вспененного полистирола (пенопласта), когда поры представлены в виде мельчайших замкнутых сфер, обеспечивает данному материалу не только уникальные теплоизоляционные свойства, но и также низкое водопоглощение. В отличие от поропласта, имеющего сообщающиеся поры, пенопласт (в частности полистирол вспененный) с его замкнутыми порами сферической формы, являет собой идеальную модель пористого заполнителя для бетона. Именно благодаря тому, что поры вспененного полистирола имеют замкнутую структуру, открываются широкие возможности использования дробленых отходов пенопласта в производстве полистиролбетона. Метод разрушения массива пенопласта не только по местам соприкосновения гранул, но также измельчение самих гранул, позволяет получать сверхлегкий заполнитель для бетона заданных гранулометрических характеристик. Использование дробленых гранул полистирола практически не увеличивает показатели водопоглощения строительных материалов на их основе, незначительное повышение водопотребности полистиролбетонной смеси объясняется, прежде всего, увеличением удельной поверхности дробленого материала (увеличение смачиваемой поверхности).

       Применение в качестве пористого  заполнителя вспененных гранул полистирола, в том числе продукта дробления пенопласта, позволяет изготовить легкий бетон объемным весом менее 200 кг/м3. При этом коэффициент теплопроводности полистиролбетона марка по средней плотности D 250 составляет 0.075 Вт/(м*°С), что делает возможным создавать теплоэффективные изоляционные покрытия на основе твердых материалов там, где ранее использовались только мягкие минераловатные утеплители.

       При аналогичных теплоизоляционных  свойствах полистиролбетон, будучи  твердым изоляционно-строительным материалом, превосходит большинство применяемых в настоящее время минераловатных и стекловолокнистых утепляющих материалов, как по показателям долговечности, так и по экологичности, а также простоте использования. Полистиролбетон марки по средней плотности D 500- 600 способен составить конкуренцию таким известным строительным материалам как керамзитобетон, вермикулитобетон, аглопоритобетон, а также, легким бетонам на пористых природных заполнителях. Полистиролбетон плотности D 500- 600 имеет класс прочности на сжатие В2.0- 2.5, а марка по морозостойкости такого материала соответствует F 50-100.

       Однако, работа с гранулами вспененного  полистирола, плотность которого  более чем в 100 раз меньше  плотности остальных используемых  в производстве легкого бетона компонентов имеет свою специфику. Сложности возникают как при подборе состава полистиролбетонной смеси, так и при смешивании компонентов.

       Для получения оптимального состава  легкого бетона необходимо добиться  максимально плотной укладки  его заполнителя. В случае с тяжелым бетоном назначается определенное соотношение между количеством крупного (щебня, гравия) и мелкого (песка) заполнителя. При этом мелкий заполнитель расположен в пустотах между частицами крупного заполнителя, что позволяет получать плотные композиции высокой связанности при относительно небольшом расходе вяжущих веществ. Однако, в отличие от инертных заполнителей тяжелого бетона, когда в пустотах между частицами крупного заполнителя находятся более мелкие зерна, полистиролбетон в основном изготавливается с применением гранул одного размера. Сложившаяся практика производства полистиролбетона с использованием сверхлегкого заполнителя единого размера объясняется высокой сложностью получения полистирольных гранул аналогичной плотности, но разного грансостава, а также значительными трудностями, возникающими при попытках получения рабочей смеси с равномерно распределенными гранулами различного размера.

       Таким образом, если в производстве  тяжелого бетона подбору состава,  поиску оптимального соотношения крупного и мелкого заполнителя уделяется повышенное внимание, ситуация с полистиролбетоном диаметрально противоположная. В то время как, от грамотно проведенного подбора состава инертных заполнителей напрямую зависят основные строительно-технических свойства бетона, такие как стоимость, прочность, долговечность и т.д., в производстве полистиролбетона подбору состава заполнителя не уделяется должного внимания, в том числе и по причине отсутствия отработанной методики подбора. Дополнительную сложность создает и практически полное отсутствие необходимого технологического оборудования, позволяющего провести классификацию гранул вспененного полистирола по их размерам (условно выделить полистирольный «гравий» и полистирольный «песок»), объемное дозирование различных фракций сверхлегкого заполнителя, а также непосредственно смешивание компонентов.

       Итак, в сложившейся практике  производства полистиролбетона  по объективным причинам используются  вспененные гранулы приблизительно  одного размера. Получаемая композиция, состоящая из гранул сверхлегкого заполнителя, цемента и в некоторых случаях песка, явно не оптимальна. Более того, подобное построение противоречит как общим приемам подбора состава бетона на крупном и мелком заполнителе, так и самому принципу конструирования материалов теплоизоляционно-строительного назначения.

       Как известно, для достижения  наиболее выгодных показателей  плотности, теплопроводности, прочности  при оптимальном расходе цемента,  для бетона на легком заполнителе  необходимо обеспечить высокую плотность размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В данном требовании бетоны на легких и сверхлегких заполнителях практически не отличаются от обычных тяжелых бетонов. В любом случае зерна заполнителя должны быть равномерно покрыты тонким слоем цементного клея, а пустоты между крупными зернами заполнителя должны быть заполнены зернами более мелкими. Именно максимально плотная укладка заполнителя в бетоне позволяет уменьшить расход цемента. В случае с бетоном на пористых заполнителях снижение расхода цемента помимо уменьшения стоимости, позволяет также повысить теплотехнические характеристики этого строительного материала и уменьшить его усадку при твердении. Из всех компонентов бетонной смеси именно цементный камень является наиболее плотным, тяжелым и соответственно теплопроводным материалом. Соответственно, для получения легкого бетона малой теплопроводности необходимо снижать долю цементного камня в общем объеме бетона, повышая долю легкого заполнителя.

     Так как, пустотность заполнителя напрямую зависит от его зернового состава и формы частиц, именно объем пустот между зернами заполнителя во многом определяет расход цемента, показатели теплопроводности и целый ряд других важнейших характеристик бетона. В случае с полистиролбетоном, когда пористый заполнитель представлен в виде гранул сферической формы одинакового размера, максимально плотная укладка такого заполнителя возможна по двум основным схемам (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Расположение гранул полистирола

     На  рисунке 2.1а. представлено расположение гранул полистирола рядной укладки. В данном случае объем пустот между гранулами составит 47.6 %.

       На рисунке 2.1б. показана более плотная, шахматная укладка гранул полистирола. При такой схеме укладки объем пустот между гранулами составит 30 %.

       На практике, однако, получение представленных  схем укладки гранул полистирола  практически не возможно. Гораздо  чаще встречаются промежуточные  схемы укладки, когда объем  пустот, колеблется от 39 до 45 %.

       Итак, для наиболее часто встречающейся  в производстве полистиролбетона укладки сферических тел аналогичного размера объем пустот между сферами составляет в среднем 42 %. Соответственно, используя вспененные гранулы полистирола одного размера, даже без учета толщины слоя цементного клея, скрепляющего гранулы между собой остается от 39 до 45% свободного объема. Этот свободный объем между гранулами должен быть заполнен цементом и песком, иначе подобная композиция теряет свою цельность. Учитывая объемный вес цементного камня, либо песко-цементного композита становиться ясно, что, плотность материала состоящего на 61-55 % из вспененных гранул полистирола (объемный вес 10- 30 кг/м3) и 39-45 % песка и цемента (объемный вес 1800- 2100 кг/м3) составит ни как не меньше 800 кг/м3! Излишне говорить, что теплопроводность такого материала весьма велика. Таким образом, уникальные теплоизоляционные возможности вспененного полистирола не могут быть реализованы в производстве материалов изоляционно-строительного назначения с использованием в качестве связующего компонента цемента и песка без проведения комплекса технологических операций направленных на снижение плотности получаемого композита. Вместе с тем приемы позволяющие повысить теплоизоляционные свойства строительных материалов, хорошо известны, они с успехом применяются в массовом строительстве. Задача заключается в том, чтобы из нескольких возможных вариантов выбрать наиболее рациональный.