Возможности применения алюминатных цементов в высотном строительстве.
Строительство – одна из главных отраслей экономики, для функционирования которой при возведении зданий и сооружений требуется огромное количество разнообразных ресурсов.
В частности, для Европейского союза (ЕС) на долю строительного сектора приходится примерно 40% потребляемой энергии, более 50% извлекаемых материалов, 30% потребления воды и отходов и 35% выбросов парниковых газов. При этом учитывают все этапы жизненного цикла зданий, включая добычу сырья для производства строительных материалов и изделий, само строительство, эксплуатацию и обслуживание зданий, их разрушение (снос) и обращение с отходами. В то же время промышленность строительных материалов использует в качестве сырья попутные продукты и отходы других отраслей промышленности (металлургические шлаки, золы ТЭС, отходы деревообработки), внося свой вклад в решение экологических проблем.
Функциональное назначение высотных зданий различно. Доля небоскребов, предназначенных исключительно для жилья, составляет примерно 30 %. Среди зданий высотой более 200 метров, строительство которых было завершено в последние годы, доля зданий офисного назначения сократилась незначительно. Но чаще всего высотное здание является многофункциональным. В нем, помимо помещений основного назначения, размещаются автостоянки, магазины, офисы, кинотеатры и др.. Поскольку на рынке появляется все больше сооружений многофункционального назначения, то растет и потребность в сочетании различных видов строительных материалов в пределах одного здания. Постоянная смена арендаторов приводит к перманентному ремонту офисов с использованием большого количества разнообразных отделочных материалов , как следствие, к большому количеству отходов. На отходы при сносе зданий приходится большая доля всех твердых отходов, образующихся во всем мире; более 50% отходов поступают из строительной отрасли. Снижение потерь материалов на строительных площадках является одной из главных задач строительства.
При строительстве, эксплуатации и ремонте высотных зданий образуются отходы бетона, железобетонных конструкций, стали, алюминия, керамических материалов, древесины, пластмасс, стекла и др.. Поэтому даже при отделке и ремонте помещений высотных зданий, срок службы которых значителен, важно использовать долговечные материалы. Трудоемкость и стоимость отделочных работ очень высока.
В составе затрат на осуществление отделочных работ значительная часть – это затраты на устройство полов, так как качество полов определяет не только эстетический комфорт, но и функциональность помещения.
В современных высотных зданиях велика доля вспомогательных и технических помещений (автомобильные стоянки, спортивные залы, помещения для размещения инженерных систем жизнеобеспечения зданий, климатического оборудования и др.). К полам таких помещений предъявляются требования не столько эстетические, сколько технические: необходима высокая прочность, износостойкость, стойкость против истирания и долговечность, так как ремонт и замена подобных покрытий требует значительных вложений (затрат).
Пол – один из важнейших элементов интерьера здания. В гражданских зданиях полы должны быть прочными, износостойкими, упругими, гладкими (но не скользкими), обладать малым теплоусвоением, легко очищаться от загрязнений, иметь высокую декоративность. К полам промышленных зданий предъявляют повышенные требования по сопротивлению механическим воздействиям (например, истиранию и удару), а для некоторых производств – по химической стойкости, теплостойкости, водостойкости. В помещениях с интенсивными эксплуатационными воздействиями на полы штучные и листовые изделия быстро разрушаются по стыкам. Поэтому для производственных помещений применяются монолитные бетонные покрытия. Из-за усадочных деформаций бетонную смесь укладывают в покрытие участками шириной 2–2,5 м, устраивая деформационные швы. Основная причина образования трещин на поверхности бесшовных полов – это усадка высыхания. В смесях для стяжек в качестве вяжущего, как правило, применяют портландцемент и гипс, а для лицевых покрытий – портландцемент или глиноземистый цемент. Очень эффективны безусадочные сухие смеси. Безусадочные смеси можно получить на основе, например, гипсовых и магнезиальных вяжущих, а также применяя расширяющиеся цементы и вяжущие с компенсированной усадкой.
Рассмотрим их достоинства и недостатки. При сухих условиях эксплуатации гипс является очень перспективным с технической и экологической точек зрения вяжущим веществом. Расширение при твердении на 0,2 % позволяет применять его без заполнителей. Затвердевший гипс при увлажнении в 2–3 раза снижает прочность. Преимущества гипсовых вяжущих при применении для стяжек внутри сухих помещений очевидны: быстрое твердение, отсутствие усадочных деформаций, возможность получения качественных покрытий при быстром высыхании смеси. Магнезиальные вяжущие вещества применяют довольно редко, хотя они имеют существенные достоинства. При затворении магнезиальных вяжущих водными растворами магниевых солей (природный бишофит) процесс твердения идет активно, а затвердевшее вяжущее приобретает значительную прочность (30–50 МПа). Магнезиальное вяжущее – быстротвердеющее: через сутки его прочность составляет 35–50 %, а через 7 суток – 60–80 % от конечной прочности. Магнезиальные вяжущие имеют преимущества по сравнению с гипсовыми при устройстве монолитных бесшовных полов большой площади: наряду с быстрым набором прочности и отсутствием усадки при твердении, они имеют высокую твердость (по Бринеллю 80–100 Н/мм2) и низкую истираемость (0,23–0,29 г/см2). Для получения безусадочных смесей можно использовать вяжущие вещества с компенсированной усадкой. Усадку можно уменьшить, снижая расход цемента, применяя специальные цементы или расширяющиеся добавки. Используют как органические, так минеральные добавки, при применении которых образуются продукты гидратации, вызывающие расширение в системе и рост прочности цементного камня.
Анализ номенклатуры расширяющихся цементов показал, что наиболее перспективно использование вяжущих, механизм расширения которых основан на образовании эттрингита, так как в этом случае связывается большее количество воды. Основными компонентами этих вяжущих являются алюминаты кальция. При выборе материалов для проведения исследований были проанализированы свойства алюминатных цементов.
Для исследования был выбран высокоглиноземистый цемент (ВГКЦ), содержащий не менее 70 % Al2O3. Химический состав используемого цемента: Al2O3 – 70,5 %, CaO – 28,1 %, SiO2 – 0,87 %, Fe2O3 – 0,3 %. Минеральный состав используемого цемента: алюминаты кальция (Ca и Ca2) в соотношении 1:1. Продукты твердения по результатам рентгенофлуоресцентного анализа представлены в основном CaH10. В возрасте 3 суток степень гидратации Ca составляет около 80–85 %, Ca2 – около 50 %. В качестве второго компонента связующего, необходимого для расширения, использовался природный двуводный гипс.
Деформации твердеющего двухкомпонентного вяжущего развиваются в результате наложения двух конкурирующих процессов: расширения за счет образования эттрингита и формирования на его основе структуры цементного камня, и усадки, вызываемой испарением воды из твердеющей композиции. Проведенные исследования усадочных деформаций показали возможность получения вяжущего с компенсированной усадкой на основе алюминатного цемента и гипса. Устойчивость композиции к растрескиванию обеспечивается тем, что значительное расширение в начальной стадии отверждения и усадка конечной стадии значительно ниже этих значений для портландцемента. Композиция на основе двухкомпонентного вяжущего, наполненная кварцевым песком, характеризуется следующими свойствами: предел прочность при сжатии через 7 ч – 5–6 МПа, через 1 сутки – 23–25 МПа, через 3 суток – 42–44 МПа; при изгибе через 3 суток – 11–12 МПа. В современном строительстве необходимо использовать вяжущие вещества, альтернативные портландцементу. Не претендуя на его полноценную замену в конструкциях, мы обозначили целесообразные области применения других вяжущих веществ (гипсовые и магнезиальные вяжущие, глиноземистый цемент). Для устройства монолитных бесшовных полов в сухих помещениях рационально применение гипсовых и магнезиальных вяжущих. Для лицевых покрытий полов технических помещений целесообразно использование безусадочных смесей на основе алюминатных цементов.
Важным свойством напольного материала является технологичность. Наиболее интересные материалы с этой точки зрения являются наливные полы на основе алюминатных цементов.
Производство алюминатных цементов наносит меньший урон окружающей среде. Кроме того, применение алюминатных цементов исключает потери от коррозии цементного камня, появление которой весьма вероятно после некоторого срока службы в технических помещения высотных зданий, расположенных в цокольной и подземной частях.
Для устройства полов широко применяют сухие строительные смеси, к которым предъявляют жесткие требования: смесь должна обеспечивать высокую текучесть и достаточную жизнеспособность при проведении работ. Требования могут быть обеспечены за счет введения комплекса эффективных добавок, поэтому рецептуры смесей для устройства полов включают до 10 и более составляющих.
Цементные композиции для бесшовных покрытий полов должны обладать трещиностйкостью, так как появление трещин на поверхности полов – главнейший вид брака. Причина растрескивания – деформации материала, вызывающие в нем напряжений, превышающих предел прочности и не компенсируемых релаксационными процессами. Такие деформации, возникающие как в процессе твердения, так и при его эксплуатации, имеют различную природу (вызваны различными причинами). Главнейшие из них: деформации, вызываемые физико-химическими процессами в твердеющем вяжущем (контракция, расширение) и усадка, вызываемая испарением влаги из цементного материала как сразу после его укладки (пластическая усадка), так и в процессе твердения (усадка высыхания). Усадка высыхания – основная причина образования трещин.
Выпуск сухих смесей для самовыравнивающихся полов стал возможен после создания современных суперпластификаторов, обеспечивающих прочность на сдвиг. Проведены различные исследования и после анализа результатов было выявлено, что для сухих смесей (с использованием портландцемента) современные суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов работают эффективно. В то же время отсутствует консенсус относительно факторов, влияющих на совместимость суперпластификаторов с портландцементом, алюминиевым цементом, гипсом и смесями этих материалов.
Ознакомиться с полной версией исследования можно перейдя по ссылке: https://www.researchgate.net/publication/325715148_Study_of_dry_mixes_with_aluminate_cements_for_self-leveling_floors
Авторы:
© М.Б. Каддо, канд. техн. наук, НИУ МГСУ, доцент кафедры строительных материалов и материаловедения © М.В. Синотова, НИУ МГСУ, студент-магистр
#высотное_строительство #сухие_смеси #наливные_полы #алюминатные_цементы #коррозионностойкие_связующие