215-227 - Казанский государственный архитектурно

ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 553.611.4.004.14 (470. 41)
Камалова З. А., канд. техн. наук, доцент, Рахимов Р. З., д-р техн. наук, профессор,
Арютина В. П., аспирант
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Дьячков И. В., канд. техн. наук, стар. научн. сотрудник
ЦНИИгеолруд (г. Казань)
ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРАСЯЩИХ МЕСТНЫХ
ПОРОД ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В современном строительстве за последние 30 лет произошли огромные изменения. Прогресс в области разработки и применения новых материалов перевернул представления о возможных архитектурных и
конструктивных решениях и открыл практически безграничные возможности.
Особенно бурные изменения произошли в части отделочных работ. Практически полностью обновился
ассортимент отделочных материалов. На сегодняшний день отделочные работы с полным правом можно
назвать изобразительным искусством, искусством оформления внутренних пространств помещений. Полет
художественной фантазии дизайнеров ставит сложнейшие задачи перед современными производителями
материалов и строителями.
В настоящее время на рынке строительства возникает потребность не только во все более качественном жилье, но и в более привлекательном с точки зрения разнообразия окраски. Решение вопросов отделки
требует, в первую очередь, создания эффективных отделочных материалов. В современном строительстве
использование яркой окраски значительно расширяет возможности архитектора, тем более в сочетании с
необычными архитектурными формами.
Повышение конкурентоспособности выпускаемой строительной продукции возможно при использовании различных видов минеральных пигментов.
Минеральные пигменты занимают особое место среди нерудных полезных ископаемых по количеству используемых для их получения горных пород и минералов. Несмотря на успехи химии в производстве
искусственных красителей, природные пигменты сохранили свое значение до настоящего времени. Они отличаются от синтетических низкой стоимостью, теплыми тонами, светоустойчивостью, экологической чистотой.
Из природных пигментов используются главным образм железооксидные пигменты типа сурика и
охры и глинистые пигменты типа охры. Из учитываемых Госбалансом России 67 месторождений в настоящее время разрабатываются 2-3 [1]. Пигменты типа сурика и охры применяются преимущественно для получения лакокрасочной продукции. При объемном окрашивании строительных материалов в основном используются синтетические пигменты, вводимые в количестве 0,5-5%. В силу меньшей красящей способности для достижения такого же красящего эффекта минеральных пигментов необходимо добавлять в 8-10 раз
больше. Из-за транспортных затрат в большинстве регионов России, особенно Восточных, более выгодно
использовать искусственные пигменты, производимые также в основном в Европейской части. В результате
окрашивание строительных материалов производится в меньших объемах, чем требуется промышленностью.
В то же время практически во всех регионах России имеются широко распространенные местные
цветные породы, пригодные для объемного окрашивания строительных материалов. Это различные угли,
бокситы, болотные руды, сланцы, туфы и пески. В Европейской части России широко развиты мелкие месторождения яркоокрашенных глин и песков, т. е. тех пород, которые в больших объемах (до 70-80% объема
изделий) используются как компоненты многих строительных материалов. Получаемые из болотных руд
железооксидные пигменты типа сурика, мумии и охры пригодны для использования во всевозможных эмалях и красках, в окрашивании различных строительных материалов. Болотные руды пользуются широким
развитием. Во многих регионах РФ еще в 30-50-е годы прошлого столетия были выявлены и оценены десятки месторождений, многие из которых разрабатывались кустарным способом [2,3].
Практически все месторождения и проявления болотных руд связаны с современными (голоценовыми)
торфяными месторождениями или заторфованными землями. Рудные тела обычно сложены одним, реже
двумя слоями болотных руд, залегающими в виде линз. Протяженность продуктивных тел изменяется от 5060 до 300-400 м, редко более, при ширине от 10-20 до 200-300 м. Площадь объектов варьирует от 500-600 до
8000-13000 м, редко более. Мощность рудных тел обычно незначительная: от 0.10 м до 0.7-1.2 м, составляя в
большинстве случаев 0.3-0.5 м. Залегают болотные руды обычно под почвенно-растительным слоем и суглинками мощностью чаще всего 0.1-0.4 м. Запасы руд отдельных месторождений изменяются от 500 т до
10-12 тыс. т [4].
Минеральный состав руд довольно однообразный и представлен гидроксидами железа, глинистым,
карбонатным и органическим в различной степени минерализованным веществом. Красящим веществом
(хромофором) железооксидных пигментов являются оксиды и гидроксиды железа. Наибольшим распространением пользуются руды с содержанием хромофора 30-50% с вариациями от 12-15 до 75-80%. В резуль-
215
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
тате термической переработки из болотных руд получают преимущественно пигменты типа мумии и лишь
10-15% всех руд пригодно для получения более высококачественных пигментов типа сурика [5,6].
В Республике Татарстан в течение 1996-2001 годов была создана минерально-сырьевая база железооксидных пигментов, получаемых из болотных руд (2 разведанных и 23 оцененных месторождений и около
20 опоискованных проявлений). По состоянию на 01.01.2004г запасы 25 месторождений и прогнозные ресурсы 20 промышленно-перспективных проявлений железооксидных пигментов Республики Татарстан составляют более 80 тыс. т [5].
Железооксидные пигменты ввиду малых запасов могут использоваться в первую очередь в производстве лакокрасочных материалов. Для поверхностного и объемного окрашивания строительных материалов и изделий необходимо сырье, обеспечивающее крупнотоннажное производство.
Работами ЦНИИгеолруд и КГАСА 1999-2003 годов установлена принципиальная возможность использования для этих целей яркоокрашенных глин, ожелезненных кварцевых песков, глауконитсодержащих
песков, алевритов и глин.
Сырье для получения пигментов глинистого типа отличается широкой территориальной распространенностью и масштабностью запасов. Глинистые пигменты представляют собой различные по составу и
генезису глинистые породы. Красящим веществом в большинстве случаев является железо в виде оксидов и
гидроксидов (гематит, гетит, гидрогетит), содержащихся в количестве от 3-5 до 12-15%, редко до 20-30%,
менее марганец и органическое вещество. Оксиды и гидроксиды тонко и равномерно рассеяны в породе в
виде агрегатов. Безводные оксиды железа придают пигментам красную окраску, а гидроксиды окрашивают
их в желтый цвет. В зависимости от их соотношения и общего содержания железа цвет пигментов изменяется от светло-желтого до красного с различными оттенками. Пригодные для использования глины желтых,
красных, розовых, фиолетовых и других ярких цветов характеризуются обычно неглубоким (до 2-3 м) залеганием и небольшой мощностью (от 0.4-1.2 до 3-4 м ) [7].
Кремнеземистые пигменты представляют собой кварцевые мелко- тонкозернистые слабоглинистые
пески, окрашенные оксидами и гидроксидами железа в желтый и красный цвет. Содержание FeO в них изменяется от 2-3 до 20-30%. Слои ожелезненных песков имеют мощность от 0.2-0.3 до 0.5-0.7 м. Перспективы выявления месторождений подобного типа представляется довольно ограниченным, т. к. в большинстве
случаев вторичное ожелезнение песчаников носит узко локальный характер. К кремнеземистым пигментам
относятся также глауконитсодержащие пески и алевриты зеленой гаммы цветов. Содержание глауконита в
породах составляет 20-40%.
Глинистое и кремнеземистое сырье характеризуется довольно низким содержанием хромофора – 6.511% в пересчете на FeO и по этому показателю пригодно для получения пигментов типа охра марки О-3 и
О-4, глинистой красной, глинистой желтой и может быть использовано для получения некоторых красок
(главным образом, густотертых, клеевых и силикатных) и для объемного окрашивания ряда строительных
материалов.
Так в РТ, среди верхнепермских красноокрашенных глин (нижне- и верхнетатарских) и верхнеюрсконижнемеловых глауконитсодержащих песков, алевритов и глин выявлены перспективные на глинистые и
кремнеземистые пигменты площади в пределах Предволжья и Западного Предкамья Республики Татарстан
и оценены их ресурсы по категории Р, суммарная величина которых составляет 9300 тыс. т. Сырье характеризуется удовлетворительными технологическими и красящими свойствами; по горногеологичеким параметрам объекты пригодны для разработки открытым способом (глубина залегания продуктивного горизонта
до 2-3 м) [7].
Красноокрашенные глины ряда проявлений РТ были апробированы для окрашивания цемента, сухой
строительной смеси, декоративных строительных растворов на основе цементных и гипсовых вяжущих, а
алевриты и пески – в составе известково-песчаной массы для получения цветного силикатного кирпича и
цветных строительных растворов.
Глинистые и кремнеземистые пигменты РТ в лабораторных условиях были использованы для получения цветных цементов, сухих декоративных строительных смесей и строительных растворов, которые в последние годы находят широкое применение в строительстве для выполнения штукатурных работ, заливки
полов и затирки швов, для получения цветных бетонов.
Декоративная строительная смесь получена путем окрашивания вяжущих веществ (белый портландцемент марки М-400 – 30-35%, известь-пушонка – 5-10%) красящим кремнеземистым пигментом, вводимым
вместо кварцевого песка в количестве 60%. Окрашенная смесь имеет светло-зеленый или зеленовато-серый
оттенок (глауконитсодержащие алевриты) и розовый (ожелезненные кварцевые пески). Следует отметить,
что слабое окрашивание сухих растворных смесей произошло уже при введении 7-10% указанных пигментов.
На основе цветной строительной смеси получены декоративные строительные растворы, в состав которых входят как кремнеземистые пигменты (цемент-30%, цветной песок-70%), так и глинистые пигменты
(цемент-30%, глинистый пигмент-10%, песок кварцевый обычный-60%). Сравнивались физикомеханические свойства декоративных строительных растворов и раствора марки М200, приготовленного с
применением стандартного песка без добавления пигмента. Полученные декоративные строительные рас-
216
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
творы по прочности соответствуют маркам М50 - М150, по морозостойкости F10 – F15 (ГОСТ 28013-98) и
могут применяться как штукатурные растворы и для отделочных слоев стеновых панелей и блоков, наружной и внутренней отделки зданий. Отделка цветным раствором позволяет разнообразить решение фасадов,
имитировать более дорогие виды отделки.
Кроме этого, глинистые пигменты были апробированы для окрашивания гипса. Изделия и строительные материалы на основе гипса имеют хорошие перспективы в жилищном строительстве. Широкая номенклатура изделий на основе гипсовых вяжущих, их долговечность, возможность изготовления изделий, отвечающих высоким требованиям архитектуры, простота технологии получения, ее низкая топливо- и энергоемкость делают их приоритетными в строительстве и реконструкции [8]. Добавление глинистых пигментов
в состав гипса в количестве 10% привело к получению гипсовых вяжущих приятных розовых оттенков. Испытание физико-механических свойств гипса показало, что добавление пигмента в количестве 10% ведет к
снижению водопотребности и повышению водостойкости (коэффициент размягчения увеличивается с 0.4 до
0.6).
В последние годы для отделки и украшения зданий – для облицовки фасадов, отделки внутренних стен
все более широко используются цветные силикатные кирпичи. Применение лицевого силикатного кирпича
объемного окрашивания повышает архитектурно-эстетические требования в промышленности.
Для выпуска цветных силикатных кирпичей коричнево-красного, серовато-голубого и желтого цвета используются как синтетические, так и природные пигменты из г. Г. Ярославля, Москвы, Тамбова, вводимые в количестве 0.8-1.0%. При этом цена 1кг синтетических пигментов без транспортных расходов составляет 25 – 80 руб. и более. Для окрашивания одной партии силикатного кирпича (200 тыс. штук) требуется 10-15 т синтетического пигмента; себестоимость продукции увеличивается на 20-30%. При мощности завода 50 млн. шт. кирпича в год, из которых 20% окрашиваются, используется порядка 0.5 тыс. т искусственных пигментов.
В лаборатории Казанского завода силикатных стеновых материалов для получения цветных силикатных кирпичей были апробированы кремнеземистые пигменты ряда проявлений РТ. Вместо обычного кварцевого песка и синтетических пигментов, вводимых в количестве 73% и 1%, использовались кремнеземистые пигменты (74%). Приготовление силикатного кирпича осуществлялось по обычной схеме. Полученные
силикатные кирпичи имеют приятный зеленоватый и розоватый цвет и по всем параметрам соответствуют
требованиям ГОСТ 379-95.
Таким образом, испытания показали возможность частичной или полной замены синтетических пигментов на кремнеземистые (силикатный кирпич) и глинистые (глинистые растворы) породы различных месторождений и проявлений РФ, что дает хороший экономический и эстетический эффект и открывает широкие возможности увеличения выпуска отделочных строительных материалов различных цветов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баланс запасов полезных ископаемых Российской Федерации. Минеральные краски. 2003г., вып.49
2. Толстихина К. И. Природныепигменты Советского Союза, их обогащение и применение.
/Госгеолиздат. Москва, 1963.
3. Розанов Ю. А., Толстихина К. И. Природные минеральные пигменты РСФСР. /Гизместпром.
Москва, 1947.
4. Геология твердых полезных ископаемых Республики Татарстан. /Ред. Хайретдинов Ф. М., Валитов
Н. Б. Казань: Изд-во ДАС, 1999, С. 180-202.
5. Рахимов Р. З., Дьячков И. В., Камалова З. А. Физико-химические и технологические аспекты получения железооксидных пигментов различных цветов из местного сырья. /Вестник Волжского Регионального
отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. Н. Новгород. 2000. №4. С. 91-100.
6. Камалова З. А., Дьячков И. В., Рахимов Р. З. Производство железооксидных пигментов из местного
сырья Татарстана. /Наука и язык. 1999. №1. С. 46-48.
7. Пермские минеральные пигменты Республики Татарстан. /Пермские отложения Республики Татарстан. Мат-лы Респ. Пермской геол. Конф. Казань: Изд-во “Экоцентр”, 1996. С. 121-126.
8. Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий.
/Строительные материалы. 2002. №6. С. 46-47.
217
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 691. 1. 17
Камалова З. А., канд. техн. наук, доцент, Куприянов В. Н., д-р техн. наук, профессор
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПВХ ПОКРЫТИЯ МЯГКИХ
ОБОЛОЧЕК ТЕНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ
Основным элементом тентовых сооружений является мягкая оболочка. Долговечность тентовых сооружений в первую очередь определяется долговечностью мягкой оболочки. В качестве мягкой оболочки
наибольшее применение находят ткани с полимерными покрытиями (пленочнотканевые материалы). Полимерное покрытие обеспечивает защиту тканевой основы от воздействия климатических факторов и создание
комфортных условий в тентовых сооружениях.
Наибольшее применение за рубежом, а также в нашей отечественной промышленности находит в
качестве защитного покрытия поливинилхлорид (ПВХ). В процессе эксплуатации пленочнотканевых материалов ПВХ покрытие подвергается воздействию УФ радиации, температуры, влаги и других факторов, под
влиянием которых в покрытии происходит окисление, деструкция и структурирование макромолекул, рассовмещение полимера и пластификатора, элиминирование HCl, образование кислородсодержащих групп и
сопряженных связей, что в конечном итоге приводит к повышению жесткости и хрупкости покрытия и к потере его защитных свойств и разрушению пленочнотканевого материала.
Целью настоящих исследований является выбор метода и структурных параметров, отражающих процесс старения ПВХ покрытия и прогнозирование долговечности покрытия мягких оболочек тентовых сооружений по структурным параметрам.
В качестве метода исследования был выбран метод ИК – спектроскопии. Объект исследования – материал «Теза» (тканевая основа лавсан арт. 5622-2-75 с двухсторонним ПВХ покрытием) новый и после старения в естественных условиях в течение 8 лет. Последний был снят в момент образования трещин на поверхности покрытия. ИК спектры ПВХ покрытия образцов приведены на рис. 1.
В качестве характерных полос поглощения были выбраны полосы 615 см -1 — соответствующая поглощению групп С-Сl, 1640 см-1 — соответствующая поглощению групп С=С, 1740 см -1 — соответствующая
поглощению групп С=О (принадлежащих пластификатору). Наличие поглощения в области 1640 см-1 в
спектре исходного образца связано с формированием связей С=С в процессе получения полимера, в результате частичного элиминирования HCl [1, 2].
Оптическая плотность полос поглощения D пропорциональна концентрации структурных групп D ~
kcd, где c – концентрация структурных групп, d – толщина поглощающего слоя, k – коэффициент молярной
экстинкции.
В случае МНПВО d=0,010,1 мм отношение оптических плотностей полос поглощения для двух характерных структурных групп соответственно равно.
Следовательно, по отношению интенсивностей полос поглощения можно судить об относительном изменении концентрации структурных групп. По спектрам видно, что интенсивность полос поглощения C-Cl в
процессе старения уменьшается, что характеризует процесс дегидрохлорирования HCl, одновременно
наблюдается уменьшение интенсивности полос поглощения, характерных для пластификатора, повидимому происходит улетучивание пластификатора из системы. По мере старения материала наблюдается
уширение полос, характерных для продуктов деструкции С=С, вследствие наложения их друг на друга.
В табл. 1 приведены результаты измерений интенсивностей полос поглощения, характеризующих процесс старения материала.
Таблица 1
Сравнение оптических плотностей полос поглощения
№ образца
Время стареD
D1/ D2
ния, годы
D2, 1640 см-1
D1, 1740 см-1
1
0
10
65
6,5
2
2
14
53
3,8
3
8
19
37,5
1,9
В процессе старения ПВХ покрытия наблюдается рост концентрации структурных групп, характеризующих процессы деструкции, уменьшение содержания пластификатора в системе. Потеря пластификатора,
окисление и структурирование как известно [2] является причиной повышения жесткости и хрупкости ПВХ,
следствием которых является образование трещин на поверхности покрытия.
218
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
а)
б)
Рис.1 ИК спектр ПВХ покрытия материала «Теза».
а) новый
б) после 8 лет эксплуатации в естественных условиях
Контролируя по ИК спектрам величину отношения оптических плотностей полос поглощения, характерных для пластификатора 1740 см-1 С=О и связей С=С, образующихся в результате элиминирования HCl,
1640 см-1 было установлено предельное состояние – момент появления микротрещин защитного ПВХ покрытия пленочнотканевых материалов. Предельное состояние наступает при отношении оптических плотностей равном 1,9.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стрелкова А. Д., Федосеева Г. Т., Минскер К. С. Фотохимическое разложение поливинилхлорида. –
Высокомолекулярные соединения, 1976, Т XVIII A, №9, с 2064 – 2066.
2. Минскер К. С., Колесов С. В., Заиков Г. Е. Старение и стабилизация полимеров на основе винилхлорида. – М.: Наука, 1982. – 272с.
219
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК: 630.381.2
Киселева О.А., канд. техн. наук, Сашин М.А., аспирант, Ярцев В.П., д-р техн. наук, профессор
Тамбовский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПРОПИТКОЙ НА ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
Известно [1], что физико-механические свойства древесины значительно ухудшаются под воздействием воды. В настоящее время существует множество способов, позволяющих устранить этот недостаток.
Наиболее надежным и перспективным является пропитка древесины различными полимерами и химическими веществами [2].
Основной задачей данной работы было изучение водостойкости древесины до и после модификации
пропиткой. В качестве модификаторов были взяты сера, парафин, эмукрил С и эмукрил М. Древесину пропитывали в течение заданного времени при постоянной температуре, величина которой зависит от природы
пропиточного состава. После пропитки образца выдерживали при комнатной температуре в течение 3 часов
и подвергали стандартным испытаниям на водопоглощение и набухание [3]. Водопоглощение по массе
определяли после 1, 2 часов и 7 суток замачивания при температуре 20+20С. За результаты испытаний принимали среднее арифметическое не менее пяти измерений. Полученные экспериментальные данные представлены в табл. 1 и на рис. 1.
`Из рисунка 1 видно, что применение модификаторов способствует значительному снижению водопоглощения древесины. Так водопоглощение парафинированной древесины после выдержки в воде в течение
2 ч уменьшается в 6 раз, а после 7 суток – в 3 раза. При пропитке серой оно соответственно снижается в 2,5
и 2 раза [4]. Температура пропитки оказывает влияние на водостойкость только при кратковременной выдержке в воде. Водопоглощение древесины модифицированной серой при 150˚С в 1,8 раза меньше, чем при
130˚С. Как показали испытания, самым эффективным модификатором является эмукрил М (табл. 1). Его
применение позволяет на 7 сутки снизить водопоглощение древесины в 4-5 раз.
Водопоглощение, %
120
древесина
пропитанная серой при T=130 0C
100
80
пропитанная серой при T=150 0C
парафинированная
60
40
20
0
2часа
неделя
Время нахождения в воде t, часы
Рис. 1. Зависимость набухания древесины от режима пропитки серой и времени
выдержки в воде
Таблица 1
Физико-механические свойства модифицированной древесины
(сосна 2-ого сорта)
Вид модификатора
Без модификатора
Сера
Парафин
Эмукрил С
Эмукрил М
2 часа
40
15,5
6,5
1
0
Водопоглощение, %, через
24 часа
7 суток
63
100
46,5
33,5
11
26
0
17
220
30 суток
116
43
22
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
На водопоглощение значительное влияние оказывает температура воды, повышение которой способствует ускорению данного процесса. Однако для древесины модифицированной эмукрилом было установлено, что при температуре 45 0С в течение первых 5 минут происходит резкое увеличение водопоглощения,
затем стабилизируется процесс. Дальнейшее повышение температуры не сказывается на приросте массы.
В работе также изучено влияние вида модификатора на скорость набухания древесины в воде. Испытания проводили при постоянных температурах (7, 32 и 63 0С). Для экспериментов использовали образцы
размерами 202020 мм. По полученным результатам были построены кинетические кривые в координатах
водопоглощение от времени выдержки в воде, которые имеют экспоненциальный характер. Затем их перестраивали в координаты скорости водопоглощения от обратной температуры [5]. Пример полученных зависимостей представлен на рис. 2.
Обработку полученных экспериментальных результатов проводили методом графоаналитического
дифференцирования [5]. Константы, входящие в уравнение 1, определяли из линейных зависимостей логарифма начальной скорости набухания от обратной температуры по тангенсу угла наклона (рис. 2). Предэкспоненту определяли экстраполяцией прямой lgw0–103/T на ось ординат. Полученные результаты представлены в табл. 2.
lg w0
-0,11
-0,31
-0,51
-,0,71
-0,91
0
1
2
103/Т, К-1
3
Рис. 2. Зависимость скорости водопоглощения от обратной температуры
для чистой древесины
Данные зависимости описываются уравнением вида Аррениуса [4]
 E 
w  w0 exp  
(1)
,
 RT 
где w – скорость набухания (водопоглощения), %/с; w0 – предэкспоненциальный множитель, %/с; E – энергия активации (набухания или водопоглощения) кДж/моль, R – универсальная газовая постоянная,
кДж/(мольК); Т – температура, К.
Таблица 2
Значения физических констант древесины, рассчитанные во временном интервале 200350 мин
Модификатор
Жидкая среда
Без модификатора
Эмукрил М
Эмукрил С
Вода
Вид воздействия
Е, кДж/моль
lg w0
E/lg w0
Набухание
32,2
1,932
-33,11
-136,7
36,6
-0,91
-3,5476
-0,1086
0,880
-2,123
9,33
1259
Вопоглощение
Полученные данные позволяют по уравнению (1) прогнозировать скорость водопоглощения и набухания в широком диапазоне температур при воздействии воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Конструкции из дерева и пластмасс / Под ред. Карлсена Г.Г. и Слицкоухова Ю.В. – М.: Стройиздат, 1986. – 543 с.
2. Хрулев В.М., Горбулев С.М., Кондрашов С.М., Бекболотов Ж.Б. Прочность и водостойкость древесины, пропитанной серой // Известия вузов. Строительство. – Новосибирск, 1985. – № 8. – С. 72-76.
3.
ГОСТ 16483.20-72 - Древесина. Метод определения водопоглощения
4. Тареева Е.Ю., Васильева Е.В., Сашин М.А., Ярцев В.П., Киселева О.А. Влияние вида модификатора на физико-механические свойства древесины // Сборник материалов VI Международной научно-техн.
конф. «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». – Тула, 2005. – С. 55-56.
5. Киселева О.А., Ярцев В.П. Скорость набухания и долговечность древесностружечных плит в воде
// Пластические массы. Синтез. Свойства. Переработка. Применение. – Москва, 2004. № 10. – С. 31-32.
221
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК: 630.381.2
Киселева О.А., канд. техн. наук, Сузюмов А.В., аспирант,
Ярцев В.П., д-р. техн. наук, профессор
Тамбовский государственный технический университет
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ФАНЕРЫ В ОГРАЖДАЮЩИХ И НЕСУЩИХ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Фанера нашла широкое применение в строительных изделиях, ограждающих и несущих конструкциях.
Одним из преимуществ данного материала является существенная экономия деловой древесины. В процессе эксплуатации она находится под действием длительных нагрузок, температур и внешних факторов
(колебания температуры, агрессивные среды, УФ облучение и т.д.), которые приводят к деформированию
и разрушению материала.
Для фанеры резко проявляется температурно-временная зависимость прочности, предела текучести
и отсутствует безопасное напряжение (напряжение, при котором долговечность становится бесконечно
большой). Поэтому для разработки методики прогнозирования её долговечности использована термофлуктуационная концепция разрушения и деформирования.
1. Изучены закономерности разрушения и деформирования фанеры марки ФСФ и ФК в широком
диапазоне постоянных напряжений и температур.
Рис.1 Зависимость долговечности от напряжения (твёрдости), а) при поперечном
изгибе для фанеры (ФК); б) при поперечном изгибе для фанеры (ФСФ); в) при пенетрации.
222
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Полученные экспериментальные данные в координатах логарифм долговечности от напряжения
(твёрдости) представлены на рисунке 1. Из рисунка видно, что зависимости представляют собой семейства
веерообразных прямых и описываются уравнением 1.
Интервал температур, 0С
где τm , U0, γ, Tт - физические константы материала: τm - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов), с; U0 - максимальная энергия активации
разрушения, кДж/моль; γ — структурно-механическая константа, кДж/(мольхМПа); Т т - предельная
температура существования твёрдого тела (температура разложения), К; R — универсальная газовая постоянная, кДж/(мольхК); τ - время до разрушения (долговечность), с; σ— напряжение, МПа; Т— температура, К.
По полученным зависимостям графоаналитическим способом были определены физические
константы, значения которых представлены в таблице 1.
Таблица.1
Значение физических констант для фанеры
Интервал
напряжений
(твёрдости),
МПа
Физические константы
τm, С
Tт,
К
U0,
кДж/моль
γ,
кДж/(МПа х моль)
При поперечном изгибе
40-80
ФК
ФСФ
14-40
ФК
20-80
22-50
60-80
80-100
60-80
10-0,88
10-1
10-0,4
369
303
431
633
3518
486
7
45
5,6
80-100
10-1,1
400
790
8
1010
209
1,4
435
480
При пенетрации[3]
2,86
-2.75
110-130
10
140-150
10-1,81
17,5-20
10-2,15
445
560
24
-1,6
ФСФ
22-25
10
662
78
2,26
После воздействия ортофосфорной кислоты в течении трёх дней
20-40
17-40
10-0,63
323
1752
45
40-80
10-0,57
610
138
3,88
Экспериментально и теоретически установлен различный механизм разрушения [2]. Так при поперечном изгибе в интервале напряжений 60-80 МПа (ФСФ) и!40-155 МПа (ФК) происходит послойное ее
разрушение, а в интервале напряжений 80-100 (ФСФ) и 100-130 МПа (ФК) фанера работает как монолитный
материал. При пенетрации одновременно п ротекают два процесса деформирование (интервал твёрдости 17,5-20 МПа) и разрушение (интервал твёрдости 22-25МПа). Из табл. 1 видно, что при больших
напряжениях при разрушении фанеры определяющим являются свойства смолы (связующего), а не древесного шпона.
2. Было изучено влияние агрессивных сред и воды на долговечность фанеры при поперечном изгибе в
режиме заданных постоянных напряжений и температур.
Установлено резкое снижение прочности для фанеры в кислотах и щёлочи. Минимальное воздействие оказывают растворитель и отработанное машинное масло. Вода, кислоты и щёлочь наибольшее влияние оказывают на связующее, а растворитель и отработка машинного масла - на древесину, следовательно, изделия из фанеры необходимо изолировать от контакта с водой, щёлочью и кислотами. Действие воды на долговечность фанеры учтено поправкой (Д = 8,437).
3. Проведены длительные испытания в натурных условиях при колебании температуры от 14 до 80°С. В
результате определены поправки для уравнения 1,позволяющие учитывать действие данного фактора.
Они равны в интервале напряжений > 135 МПаО.6 и <135 МПа- 1145 о- 12,64.
4. Исследовано влияние термостарения на прочность фанеры. В результате установлено, что после воздействия повышенных температур (50°С) в течение 200часов прочность фанеры повышается на 16% [4]. Такое
поведение материала, по-видимому, связано с протеканием релаксационных процессов, способствующих
залечиванию технологических дефектов.
223
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Полученные данные позволяют прогнозировать долговечность фанеры в широком диапазоне эксплуатационных параметров (нагрузка, температура и время), с учётом неблагоприятных воздействий
(агрессивная среда и климатические факторы).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 . Ратнер С. Б., Ярцев В. П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? - М.: Химия, 1992. - 320 с.
2. Ярцев В.П., Киселёва О.А., Сашин М.А., Сузюмов А.В. Влияние структуры на механизм разрушения древесных композитов // Актуальные проблемы современного строительства: Материалы междунар. научно-техн. конф. - Пенза: ПГАСА, 2005. - С. 134-138.
3. Ярцев В.П., Киселёва О.А., Сузюмов А.В. Закономерности длительного деформирования древесных
пластиков // Пластические массы. Синтез. Свойства. Переработка. Применение. - Москва, 2004. № 10. - С.
43-45.
4. Ярцев В.П., Киселёва О.А., Рындин В.О., Сузюмо в А.В. Влияние температуры и влаги на
старение древесных плит и фанеры //Композиционные строительные материалы. Теория и практика:
Сб.научных трудов Международной научно - техн. конф. - Пенза, 2004. — С.126-128.
224
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 666.3.
Ковков И.В., аспирант, Абдрахимова Е.С., канд. техн. наук, доцент, Абдрахимов В.З., д-р техн. наук
Самарский государственный архитектурно-строительный университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ
СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ
Добыча и переработка природного минерального сырья связана с образованием больших количеств
различных промышленных отходов, накопление которых приводит к ухудшению экологической обстановки
в регионах. Одним из аспектов решения этой актуальной проблемы является применение техногенного сырья в керамических материалах 1.
В России особое положение занимает горно-металлургический комплекс, продукция которого составляет основу экономики и значительную часть экспорта страны. Вместе с тем на большинстве предприятий
цветной металлургии страны в настоящее время заметно сокращаются запасы высококачественных руд,
ухудшаются горно-геологические условия разработки месторождений. При этом все чаще в производство
вовлекаются минерально-сырьевые источники с бедным содержанием полезных компонентов. За последние
20-25 лет содержание основных металлов в рудах снизились в 1,5-1,6 раза, а доля труднообратимых руд возросла от 15 до 45 % 2-3. В то же время на предприятиях цветной металлургии накоплено огромное количество отходов более 10 млд. т.
Производство керамических строительных материалов  одна из самых материалоемких отраслей
народного хозяйства, поэтому рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов
становится решающим фактором ее успешного развития в условиях проводимой экономической реформы. В
связи с этим применение в керамических материалах техногенного сырья приобретает особую актуальность.
В работах 2-3 было показано, что для производства фасадных плиток в качестве глинистого сырья целесообразно использовать  глинистую часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд (ГЦИ), а в качестве плавня  золу легкой фракции. К плавням относятся такие материалы, которые при обжиге изделий
вступают во взаимодействие с сырьевыми материалами шихты, образуя легкоплавкие соединения, которые
способствуют образованию жидкой фазы на ранних стадиях обжига керамики (менее 1000 оС). В табл. 1 приведен химический состав исследуемых компонентов.
Таблица 1
Химический состав компонентов
Компонент
Глинистая часть «хвостов»
гравитации (ГЦИ)
Зола легкой фракции
SiO2
Al2O3
Массовое содержание, %
Fe2O3
CaO
MgO
R 2O
58,74
21,39
6,21
1,7
1,22
1,62
62,66
18,52
5,87
3,02
2,65
8,07
п.п.п.
7,34
0,7
Спекание многих видов керамики идет с участием жидкой фазы, от свойств которой во многом зависит
процесс формирования структуры материала. Повышение реакционной способности жидкой фазы по отношению к тугоплавким кристаллическим составляющим дает возможность интенсифицировать процесс спекания, что позволяет уменьшить расход топлива.
В настоящей роботе исследована зависимость морозостойкости от исходной пористой структуры фасадных плиток.
Известно, что морозостойкость фасадных плиток зависит от исходной пористой структуры. Настоящее
исследование было проведено с целью изучения изменения пористой структуры фасадных плиток при циклическом замораживании и оттаивании. В настоящее время морозостойкость фасадных плиток оценивается
по видимым признакам разрушения после определенного количества циклов попеременного замораживания
и оттаивания.
Методом ртутной порометрии нами установлено, что для керамических материалов, обожженных при
1050оС и содержащих 40-50% золу легкой фракции, в которой количество стеклофазы составляет 85-93%,
содержание «опасных» пор размером 10-5 - 10-7 м составляет 58-60%. В образцах только из глинистого компонента (глинистой части «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд, ГЦИ) без применение отощителей и плавней содержание аналогичных пор и при аналогичной температуре обжига составляет 68-70%. В
связи с чем нами было изучено изменение содержания пор размером 10-510-7 м в фасадных плитках после
испытания их на морозостойкость. Физико-механические характеристики исследуемых плиток приведены в
табл. 2.
225
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Таблица 2
Физико-механические показатели керамических плиток
Составы
100% глинистый компонент
8,0
Показатели
Водопоглощение, %
Пористость, %:
открытая
закрытая
общая
Морозостойкость, циклы
Содержание «опасных» пор размером
10-510-7 м
50% глинистого компонента+50% золы легкой фракции
5,54
17,52
0,8
18,32
470
11,58
4,52
16,10
485
59
70
На рисунке показаны изменения различных типов пористости фасадных плиток, обожженных при температуре 1050оС, после воздействия циклического замораживания и оттаивания до появления первых признаков разрушения. Замеры физико-механических показателей производились после каждых 100 циклов замораживания и оттаивания.
Общая, открытая и закрытая пористости, а также поры размером 10 -510-7 м до 200 циклов замораживания и оттаивания практически свои значения не меняют (см. рисунок). Закрытая пористость после 200
циклов замораживания и оттаивания уменьшается. Вероятно, это происходит вследствие разрушения стенок
пор под воздействием льда, что способствует переходу значительного количества закрытой пористости в
открытую.
После 200 циклов попеременного замораживания и оттаивания количество пор размером 10 -510-7 м
снижается. Причиной этого, по-видимому, является увеличение их сечения за счет разрушения стенок пор.
В процессе разрушения, вероятно, у более мелких пор стенки под воздействием давления льда раздвигаются, и объем пористости возрастает. Увеличение объема пор размером 10 -510-7 м после 400 циклов попеременного замораживания и оттаивания сопровождается, по-видимому, появлением видимых признаков разрушения, так как закрытая пористость при таком количестве циклов резко снижается (см. рисунок, кривая
2).
30
20
10
15
12
9
6
3
4,2
3,5
2,8
2,1
1,4
0,7
18
Общая пористость, %
40
18
Закрытая пористость, %
-5
50
Открытая пористость, %
60
-7
Поры размером 10 - 10 м
70
15
12
9
1
2
3
4
6
3
200
400
500
100
300
Количество циклов попеременного
замораживания и оттаивания
Рисунок. Изменение пористости фасадных плиток при циклическом замораживании и оттаивании.
 Кривые состава: 50 глинистого компонента +50 золы легкой фракции
-------- Кривые состава  100% глинистого компонента.
1  общая пористость; 2  закрытая пористость; 3  открытая пористость; 4  поры размером 105
-7
10 м
При замораживании и оттаивании керамических плиток имеет место следующий механизм их разрушения. При переходе воды в лед последний расширяется с увеличением объема на 9%. Первоначально за-
226
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
мерзание льда происходит в более крупных порах размером более 10 -5 м при температуре от 0 до 5оС, затем
в более мелких порах размером 10-510-7 м при температуре от –5 до –10оС.
При наличии в образцах как крупных, так и мелких пор образование льда происходит в достаточно
широком интервале температур и при этом постепенно образующийся лед выдавливается в свободное пространство этих пор. После появления первых признаков разрушения открытая и общая пористости растут, а
закрытая пористость и поры размером 10-5 - 10-7 м снижаются.
Таким образом, полученные экспериментальные данные показывают, что характерные изменения пористой структуры керамических материалов являются основными оценочными данными морозостойкости
изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абдрахимова Е.С. Использование отходов обогащения цветной металлургии в производстве кислотоупорных изделий / Е.С. Абдрахимова, В.З. Абдрахимов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2004. №4.
С. 13-18.
2. Абдрахимов В.З. Производство керамических изделий на основе отходов энергетики и цветной металлургии / В.З. Абдрахимов. Усть-Каменогорск. Восточно-Казахстанский технический университет. 1997.
238 с.
3. . Абдрахимов В.З. Физико-химические процессы структурообразования в керамических материалах
на основе отходов цветной металлургии и энергетики / В.З. Абдрахимов, Е.С. Абдрахимова. УстьКаменогорск: Восточно-Казахстанский технический университет. 2000. 374 с.
227