Глава 1. Анализ современного состояния производства и применения теплоизоляционных материалов на основе магнезиальных вяжущих веществ.
1.1. Мировой опыт производства и применения теплоизоляционных материалов на основе магнезиальных вяжущих веществ.
Магнезиальными вяжущими веществами называют вяжущие, состоящие в основном из оксида магния и твердеющие в условиях воздушно – сухой среды с относительной влажностью воздуха менее 60 %.
Отличительной особенностью магнезиальных вяжущих веществ является то, что затворяются эти вяжущие не водой, а растворами солей.
История магнезиальных цементов насчитывает много столетий. Так магнезиальные цементы на основе фосфата магния из фекалий животных или ферментированных растительных материалов и обожженной магнезии использовались древними строителями для кладки кирпичных стен во многих странах древнего мира. Эти цементы были обнаружены в Великой Китайской стене. Многие ступы в Индии, построенные с использование магнезиальных цементов стоят и сегодня. Смеси оксида магния были использованы в древние времена в Германии, Франции, Мексике и Латинской Америке, Швейцарии, Индии, Китае, Новой Зеландии и других странах. Еще в древности было замечена высокая совместимости магнезиальных вяжущих с древесными материалами. В Германии в течение сотен лет магнезиальные цементы применялись в строительстве, искусство их изготовления и применения передавалось из поколения в поколение.
Новее открытие магнезиального цемента было сделано в 1867 году века французским инженером Станиславом Сорелем, который описал состав и свойства этого вяжущего и получил первые патенты на этот материал. С. Сорелем совместно с Густавом Бишофом (Германия) был изобретен и широко ныне применяемых материал ксилолит, представляющий собой смесь магнезиального вяжущего древесных опилок и щепы, а также мелкого заполнителя.
Оказалось, что магнезиальный цемент во многих отношениях является более замечателен, чем портландцемент. Повышенная прочность на изгиб, высокая прочность на сжатие, малая усадка или ее отсутствие, высокая эластичность, быстрое твердение, не требующее влажного хранения как для бетонов на портландцементе, хорошая износостойкость (в три раза выше, чем у портландцемента), стойкость к действию масел, лаков, красок, органических растворителей, щелочей, солей, включая сульфаты, очень высокая огнестойкость, абсолютная экологическая чистота, более того, полезность для людей, бактерицидные свойства – вот далеко не полный перечень преимуществ этого замечательного материала. Тогда же были обнаружены и отрицательные стороны магнезиальных вяжущих, в первую очередь, их незначительная водостойкость. С тех пор магнезиальные цементы претерпели как взлеты, так и почти полное забвение.
Впервые применение магнезиального цемента было осуществлено Гиртлем в 1879 г. Первые полы на основе магнезиального бетона были уложены более 90 лет назад в Германии компанией Kaser GmbH & Co (Германия). Магнезиальные полы не часто используемые в настоящее время, были очень популярны в Германии для укладки внутри зданий в период 1920 по 1940 год, и для муниципального жилья в период между 1945 и 1960 годах. Такие полы, как правило, имели красновато-розовый цвет, хотя некоторые из них были окрашены при помощи пигментов и в другие цвета. Материалом для магнезиальных полов служили смесь кальцинированного магнезита и раствора хлористого магния с различными наполнителями (например, древесная мука, опилки, асбест). Их толщина находилась в пределах от 10 до 25 мм, и изредка – до 50 мм. Укладка магнезиальных полов производилась только в сухих помещениях при отсутствии или незначительном и временном воздействии на полы влаги, так как такие полы очень уязвимы к сырости и быстро разрушаются при постоянном воздействии воды. Кроме того, хлориды могут мигрировать из магнезита в нижележащий бетон и способствовать коррозии арматуры в нем.
В России в 30-х гг. XX века популярностью пользовались ксилолитовые полы из магнезиального вяжущего с древесными опилками. Такие полы выполнялись без швов, их циклевали и натирали мастиками. Ксилолитовые полы отличались высокой теплоизоляцией (как паркетные), были гигиеничными, негорючими и не образовывали пыли (в силу низкой истираемости). Но при всех вышеперечисленных достоинствах обладали и недостатком: из-за низкой водостойкости ксилолитовые полы требовали защиты от увлажнения, особенно снизу от капиллярного подсоса воды через основание, а также с дефицитностью сырья (в первую очередь магнезиты используют для получения огнеупоров), в связи с этим их применения в массовом строительстве не увенчалось успехом.
Магнезиальные цементы и их разновидность магний-фосфатные цементы, являясь, по существу, естественными, природными вяжущими, несомненно имеют больший перспективы, как значительно более экологичный и менее энергоемкий материал, чем портландцемент. Постоянная работа по улучшению магнезиальных цементов уже привела к получения и массовому производству водостойких магнезиальных вяжущих.
Природные запасы магнийсодержащих минералов велики и составляют не менее 8% земной коры. Энергия получения магнезиальных цементов составляет всего 30-40% от энергии получения портландцемента. Особенно быстро такие составы развиваются в Китае, где имеются наибольшие в мире запасы магнезита (периклаза) MgCO3. Нет никаких сомнений в том, что у такого материала в России, где сосредоточено более половины мировых запасов магнезиального сырья, могут быть просто блестящие перспективы. И не случайно в последнее время наблюдается значительный всплеск интереса к нему. У магнезиальный цементов и бетонов на их основе несомненно большое будущее.
Современные технологии использования магнезиальных вяжущих позволяют делать на их основе практически все, что угодно: стеновые материалы, конструкционные брусы, пеномагнезиальные блоки с фасадной облицовкой под кирпич или колотый камень, разнообразные половые покрытия, детали интерьера. Следует отметить, что в домах, стены которых выполнены из материалов на основе магнезиальных вяжущих (магнезиальный ячеистый бетон, арболит и т.п.) создается благоприятный для человека микроклимат, сочетающий в себе достоинства деревянного дома и соляной пещеры, оказывающей бальнеологический эффект для больных астмой и другими аллергическими заболеваниями.
Только в России по этому материалу зарегистрировано более двух тысяч научных работ, диссертаций, изобретений, более полтора века над ксилолитом ведут изыскания, проводят опыты, ученые, научно и производственные коллективы, изобретатели, производственники. В США, Канаде, КНР, Европе, Японии и других странах в строительстве активно используют ксилолит. Ксилолит используют для заливки полов, изготовления стеновых блоков, бруса, плитки, стеновых и напольных панели небольшого размера. Ксилолит используется для монолитной заливки стен жилых зданий и индивидуальный жилых домов и коттеджей. В России пока это направление не развито.
За рубежом в середине 50-х годов XX века, благодаря большому объему исследований и появлению новых материалов, старые идеи обрели новую жизнь. Немаловажную роль сыграла также практически идеальная экологическая безопасность материалов на основе магнезиального бетона. Разработанные технологии позволили создать целый ряд новых составов, существенно увеличить влагостойкость и сохранить уникальные физико-механические свойства материала. Очень важной для комплекса физико-механических свойств материала является игольчато-древовидная структура кристаллов, которая и обеспечивает магнезиальному бетону, несмотря на высокую твердость, устойчивость к ударным нагрузкам.
Основные технологические стадии при производстве магнезиальных вяжущих веществ – добыча сырья в карьере, транспортирование сырья, дробление и фракционирование сырья, обжиг, дробление и помол вяжущего.
Добыча сырья осуществляется в карьере открытым способом и доставляется железнодорожными вагонами или автомашинами на склад предприятия по производству магнезиального вяжущего.
Дробление сырья может быть организовано как непосредственно в карьере, так и на предприятии. Измельчают сырье в щековых или конусных дробилках до размера щебня 10-35 мм, максимальный размер кусочков не должен превышать 40 мм.
Фракционирование сырья проводится в вибрационных грохотах. Фракционирование позволяет уменьшить интервал при выборе температур обжига, повысить полноту диссоциации карбонатов и обеспечить их равномерный обжиг, улучшить аэродинамический режим работы печи.
Обжиг производится в шахтных или вращающихся печах. Для обжига желательно использовать беззольное топливо (природный газ или топочный мазут), так как за счет присадки золы будут меняться свойства вяжущего.
Температура обжига магнезиального сырья колеблется от 600 оС до 1000 оС зависит от состава сырья, наличия в нем примесей, размеров кусочков щебня, типа и особенностей конструкции печи.
Дробление и помол вяжущего вещества. После обжига сырье размалывают в шаровых барабанных мельницах, причем если велечина кусков обожженного материала значительна, то перед их помолом подвергают дроблению в молотковых или других дробилках. В результате измельчения обожженного продукта получается вяжущее вещество.
В гражданском и промышленном строительстве магнезиальные вяжущие вещества применяются в качестве связующего для изготовления материалов и изделий различного функционального назначения – теплоизоляционных, конструкционных, огнеупорных и других.
Применение магнезиальных вяжущих веществ обусловлено высокими технологическими свойствами магнезиальных растворов (пластичностью, эластичностью, хорошей формуемостью); повышенными значениями прочностных показателей затвердевших магнезиальных изделий при сжатии, изгибе, растяжении; износостойкостью и низкой истираемостью; пожаростойкостью, теплоизоляционными и звукоизоляционными свойствами, высокой декоративностью.
Главная область применения магнезиальных вяжущих веществ – магнезиальные растворы, которые используются как самостоятельные строительные материалы, так и в качестве основы для изделий широкого ассортимента. Магнезиальные растворы (штукатурные растворы, строительные растворы и другие материалы и изделия на их основе) – это пластичные, хорошо формуемые смеси, состоящие из магнезиального вяжущего, раствора хлорида в качестве затворителя и органического или неорганического минерального наполнителя.
Штукатурные растворы, приготовленные на основе магнезиального вяжущего вещества, ложатся на поверхнось ровным слоем, твердеют быстро, имеют хороший внешний вид и не требуют дополнительных малярных работ.
В магнезиальных растворах в качестве органических наполнителей используется: хвойная древесная мука с размером зерен до 0,25; 0,36 или до 0,5 мм (максимальный размер зерен); резиновый дробленый материал; пробковая пыль; бумажная пыль или льняная костра. Волокнистость наполнителей обусловливает относительно высокую прочность при растяжении, при изгибе затвердевших магнезиальных растворов и благоприятное соотношение этих прочностных характеристик с пределом прочности при сжатии – примерно 1:2. А влияние таких наполнителей на расширение и усадку затвердевшего раствора, обусловленное их водопотребностью, незначительно. Положительно сказывается на на процессах твердения магнезиальных растворов собственная влажность наполнителей до 20 % по массе, что не приводит к снижению концентрации раствора хлорида магния.
Неорганические наполнители применяются для улучшения износостойкости рабочего слоя. Для этого обычно используется кварцевый песок с размером зерен до 3 мм, кварцевая мука, каолин и гранулированные доменные шлаки. Большие количества этих наполнителей уменьшают эластичность магнезиального камня и увеличивают опасность трещинообразования.
Рецептуры магнезиальных растворов в зависимости от консистенции приведены в таблице 1.
Таблица 1
Рецептура магнезиальных растворов в зависимости от консистенции
Расход сырьевых материалов, % Консистенция раствора
Мягкая Пластичная Землисто-влажная
Магнезиальное вяжущее 38,7 41,1 45,2
Раствор хлорида магния, p=1160кг/м3 51,1 48,1 42,9
Органический сухой наполнитель 10,2 10,8 11,9
MgCl2:MgO, частей по массе 1:2,8 1:3,4 1:4,1
Расширение изделий при твердении 1…3,5 мм/м. Усадка (обратное высыхание) изделий при твердении 1…3 мм/м. Большое влияние на конечные свойства растворов оказывает влажность воздуха при твердении.
Затвердевшие магнезиальные растворы имеют светло – серый цвет т легко поддаются окрашиванию как с поверхности рабочего слоя затвердевшего раствора, так и по всему объему.
1.2. Классификация и свойства строительных материалов на основе магнезиальных вяжущих веществ
Классификация
Основные виды материалов и изделий на основе магнезиальных вяжущих веществ:
• Основания под “чистые” полы;
• Строительные детали;
• ксилолит;
• фибролит;
• искусственный мрамор;
• литографические камни;
• теплоизоляционные материалы и изделия;
• огнеупорные материалы;
• стекло-магнезиальные листы
Основания под “чистые” полы изготавливаются на основе магнезиального раствора для использования только в закрытых и сухих помещениях. Покрытия (основания) из магнезиального раствора могут выполняться в один или несколько слоев. Рекомендуемая толщина слоя 15…25 мм при однослойном выполнении; при многослойной укладке нижний слой толщиной 15…35 мм должен затвердеть настолько, чтобы быть доступным для ходьбы и затем на него наносится рабочий толщиной от 15 до 25 мм. Нижний слой должен обладать тепло- и звукозащитными свойствами, для этого поддерживается соотношение оксида магния (вяжущее) к наполнителю 1:5 частям по объему.
1) Тонкослойные магнезиальные полы наливного типа с эффектом самовыравнивания. В современном строительстве и при отделочных работах широко применяются самовыравнивающиеся стяжки для выравнивания поверхности пола и шпаклевочных работ. Самовыравнивающиеся смеси представляют собой высокоподвижные растворные смеси, способные самопроизвольно растекаться по поверхности и выравнивать местные неровности. Такие покрытия укладывают по технологии наливных полов. Однако прочностные характеристики данного типа отделки превышают аналогичные показатели даже хваленых полимерных полов. К тому же, тонкослойные полы дешевле любого другого варианта магнезиальной отделки. Ведь толщина данного покрытия равна 6-10 миллиметрам. Покрытие такой толщины защитит перекрытие от температурных деформаций, истирания и средних ударных нагрузок.
Физико-механические свойства магнезиального цемента позволяют создавать самовыравнивающиеся стяжки и полы с наполнителями, отличающиеся следующими свойствами:
– высокая прочность при сжатии и растяжении – в 1,5 ? 3 раза выше аналогов, производимых из портландцементов;
высокая ударная прочность – способность сминаться при ударе без разрушения;
– высокая износостойкость истираемость покрытия составляет 0,4 ? 0,8 г/см2 в зависимости от марки смеси;
– высокая прочность сцепления с бетонной поверхностью – 3 ? 6 МПа, как правило, превышающая прочность на растяжение цементных растворов и бетонов;
–прочность сцепления с бетонной поверхностью, пропитанной маслом, составляет 1 ? 1,5 МПа, что дает возможность устройства покрытия по старому, загрязненному бетонному основанию без тщательной его подготовки.
– маслобензостойкость – сохранение характеристик при воздействии масел и бензина;
– безусадочность – деформация усадки / набухания не превышает 0,05% (или 0,5 мм/м) при условии соблюдения срока и условий хранения смесей;
– высокая скорость набора прочности – готовность к восприятию умеренных нагрузок и к механической обработке – через 8 ? 12 часов после заливки в зависимости от марки смеси;
– беспыльность – малое пылеотделение при эксплуатации;
– безыскровость, материал не накапливает статическое электричество;
– экологичность и безвредность для организма человека.
Применение магнезиального вяжущего при изготовлении самовыравнивающихся смесей позволяет снизить стоимость исходных материалов для приготовления смеси в два и более раза по сравнению с полимерцементными материалами за счет отказа от полимерной составляющей или снижения ее количества (несмотря на то, что стоимость магнезита превышает стоимость портландцемента). Сравнение физико-механических характеристик полимерцементной самовыравнивающейся смеси (в данном случае приведены характеристики смеси марки «VETONIT-3000») и аналогичной смеси на магнезиальном вяжущем приведено в таблице 2.
Таблица 2
Сравнение характеристик полимерцементной и магнезиальной самовыравнивающейся смеси
Сравниваемый параметр VETONIT-3000 Смеси на магнезиальном вяжущем
Заявлено По результатам испытаний
Подвижность смеси по вискозиметру «Суттарда», см
-
25-27
25-27
Сравниваемый параметр VETONIT-3000 Смеси на магнезиальном вяжущем
Заявлено По результатам испытаний
Прочность при сжатии в возрасте 28 суток, МПа 20
15 До 60
Прочность при изгибе в возрасте 28 суток, МПа - 5 До 20
Прочность при сжатии в возрасте 1 суток, МПа - 3,6 До 25
Прочность при изгибе в возрасте 1 суток, МПа - 1,4 До 10
Прочность сцепления с бетонной поверхностью, МПа
1
1,25
Более 6
Истираемость, г/см2 - 1,2 0,4-0,7
Деформации усадки, % <0.08 0,16 0-0,05
Потеря прочности за 24 часа насыщения водой, % - 65-70 5-25
Водопоглощение по массе за 24 часа, % - 16 5-8
Из таблицы видно, что применение магнезиального цемента при производстве самовыравнивающихся смесей позволяет создавать смеси, превосходящие полимерцементные аналоги по всем параметрам.
2) Толстослойные магнезиальные полы, предполагающие толщину стяжки от 50 до 100 миллиметров. Причем особая толщина нужна лишь в очень специфических случаях, когда покрытие должно противодействовать значительным нагрузкам (как ударным, так и эксплуатационным), «удерживая» целостность перекрытия в течение очень длительного времени.
3) Мозаичный магнезиальный пол, предполагающий сочетание высоких эксплуатационных характеристик с внешне привлекательным экстерьером. Впрочем, прочность подобных полов несколько ниже ординарного магнезиального покрытия. Ведь в структуру мозаичного пола включают мраморную, гранитную или доломитовую крошку, которая и формирует мозаику при шлифовании покрытия.
4) Магнезиальные полы плавающего типа, с изоляцией. Такой пол обустраивается как самостоятельный элемент конструкции строения. Причем плавающие полы можно нагружать полностью. А теплоизолирующие и звукоизоляционные свойства подобных конструкций просто вне конкуренции. Ведь между монолитной основой (плитой перекрытия) и плавающей облицовкой (магнезиальным полом) имеется особая прослойка. И чаще всего эту прослойку формируют их ПВХ или полиэтилена или минеральной ваты или иного материала с теплоизолирующими характеристиками. Ну а толщина такого магнезиального пола (а точнее — плавающего слоя) равна примерно 3,5 сантиметров.
5) Магнезиальные полы разделительного типа. Такая отделка не контактирует с плитой перекрытия. Ведь этот многослойный вариант предполагает интеграцию разделительного слоя, расположенного между плитой и облицовкой. Причем в качестве такого слоя чаще всего используется полимерная пленка или битумная бумага. Подобное решение позволяет повысить гидроизоляцию плиты перекрытия. Кроме того магнезиальный пол разделительного типа востребован и в случае обустройства покрытия поверх плиты с дефектом. Толщина магнезиального покрытия в данном случае доходит до 30 миллиметров.
6) Магнезиальные полы скрепленного типа. Такой пол предполагает связь опорной плиты (перекрытия) и облицовочного слоя (магнезиального покрытия). В итоге толщина пола скрепленного типа не превышает 20 миллиметров, что сказывается на стоимости процесса обустройства. Но каких-либо дополнительных опций, помимо прочности (не менее 30 Н/мм2) от такого пола ждать не стоит.
7) Теплозвукоизоляционная стяжка. В настоящее время, особенно при монолитном строительстве, остро стоит вопрос о междуэтажной звукоизоляции и снижении массы перекрытий за счет снижения плотности стяжки. Как правило вопрос звукоизоляции решается путем укладки непосредственно на плиту перекрытия рулонных звукоизоляционных материалов с устройством поверх них бетонной стяжки, причем в этом случае при устройстве стяжки приходится прибегать к ее армированию стальными сетками и т. п., что приводит к заметному усложнению и удорожанию в два раза конструкции и технологии устройства пола. Это связано с отсутствием механической связи между стяжкой и бетонным основанием (плитой перекрытия), приводящим к повышению изгибных напряжений в стяжке от эксплуатационных нагрузок. При этом остается нерешенным вопрос снижения массы стяжки. Использование для этих целей поризованной (ячеистой) цементной стяжки не имеет распространения в виду сложности приготовления ячеистого бетона на строительном объекте и отсутствием производителей готовой ячеистой бетонной смеси. При этом ячеистые бетоны на цементном вяжущем в условиях естественного твердения обладают низкой прочностью. Так же для устройства теплоизоляционных стяжек применяют легкие растворы и бетоны на цементном вяжущем и легких заполнителях перлитовом песке и керамзитовом песке и гравии. Обычно применяются растворы и бетоны со средней плотностью 1000 – 1300 кг/м3 (при снижении плотности ниже указанной прочность стяжки становится недопустимо малой). Следует так же отметить дороговизну перлитового песка.
Так же при строительстве и отделке все более широкое применение находят теплозвукоизоляционные штукатурки на основе легких поризованных перлитоцементных растворов средней плотностью 400 – 600 кг/м3 . К недостаткам данных смесей так же относятся низкая прочность и дороговизна, связанная со стоимостью перлитового песка.
В связи с вышеизложенным представляется перспективным изготовление поризованной (вспененной) смеси на магнезиальном вяжущем с органическими легкими заполнителями (древесная мука, опилки, стружка). Возможна частичная или полная замена органических заполнителей на легкие минеральные заполнители.
Основные преимущества описываемых смесей:
- более высокая по сравнению с портландцементными смесями прочность при той же средней плотности или более низкая плотность материала при заданной прочности;
- высокая скорость набора прочности;
- использование дешевого заполнителя (опилки);
- малые деформации усадки;
- даже в случае применения органических заполнителей материал является негорючим и антисептичным.
При средней плотности 600…700 кг/м3 материал обладает прочностью 8 – 10 МПа, что позволит применять его в конструкции пола с тонким слоем самовыравнивающейся стяжки поверх него или, при качественном выравнивании, вообще без последней.
Согласно требованиям СНиП 2.03.13-88 стяжки из легких бетонов для полов с нормированным теплоусвоением должны иметь класс по прочности на сжатие не ниже В5 (марка М75 или 7,5 МПа).
Сравним минимальную плотность различных строительных материалов для достижения требуемой прочности, а также оценим коэффициенты теплопроводности рассматриваемых материалов.
Таблица 3
Материал Минимальная плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м? оС)
Легкие бетоны на портландцементном вяжущем и пористых заполнителях
Перлитобетон 900 0,19
Керамзитобетон 1000 0,27
Бетон на щебне из пористых горных пород 1200 0,34
Аглопоритобетон 1300 0,4
Шлакопемзобетон 1400 0,41
Ячеистые бетоны (пено- или газобетоны)
Автоклавные (пеногазосиликаты)* 750 0,19
Неавтоклавные (естественного твердения)
950
0,27
Вспененные магнезиальные растворы и бетоны с различными заполнителями
Перлит 600 0,12
Древесные опилки 650 0,13
Перлит + керамзит 650 0,17
Опилки + керамзит 700 0,18
* Следует отметить, что автоклавный ячеистый бетон может выпускаться только в виде изделий, т.е. невозможно устройство из него монолитных стяжек.
Из таблицы видно, что из рассмотренных материалов наименьшей плотностью и теплопроводностью отличаются материалы на основе магнезиального вяжущего. При заданной теплопроводности стяжки требуется слой вспененной магнезиальной смеси с заполнителем в виде опилок или перлита почти в два раза тоньше, чем из перлитобетона и в два с половиной раза тоньше, чем из монолитного ячеистого бетона или керамзитобетона.
8) Теплозвукоизоляционная штукатурка. Применение магнезиального вяжущего позволяет получать теплозвукоизоляционные штукатурные растворы со средней плотностью 250 – 300 кг/м3 , что обеспечит значительно более эффективную тепло- и звукоизоляцию по сравнению с аналогичными составами на портландцементном вяжущем при снижении стоимости используемых материалов за счет замены дорогостоящего перлита на древесные опилки.
Сухие смеси представляют собой комплект, состоящий из упаковки, содержащей смесь вяжущего, заполнителей и добавок, а так же емкости с затворителем в форме водного раствора. Емкость так же может содержать водорастворимые добавки.
Изготовление сухой смеси для поризованной стяжки будет отличаться от приготовления смеси для самовыравнивающейся стяжки в основном заменой кварцевого заполнителя на древесные опилки и введением пенообразующей и газообразующей добавки.
