Подпишитесь на наши новости.

Email:


Подписаться

Суханова Екатерина Александровна, Московский государственный строительный университет; Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент М.Г. Бруяко; «Фасадные самоочищающиеся материалы на основе отходов горно-рудной промышленности»

Аннотация

Большинство современных зданий имеют оригинальные фасады, прида­ющие городу своеобразие и неповторимость. Для сохранения опрятного облика здания необходимо своевременно и регулярно ухаживать за фасадом, очищая его от загрязнений, являющихся неотъемлемым продуктом жизнедеятельности любого города, особенно мегаполисов и крупных торговых центров. В сочетании с климатическими особенностями и агрессивной атмосферной средой грязевые отложения на поверхности фасада значительно снижают срок службы облицо­вочного материала, что приводит к увеличению затрат на эксплуатацию здания.

Еще одним обязательным продуктом жизнедеятельности крупных городов являются отходы промышленности. Зачастую, чтобы добыть из недр природное сырье, необходимо извлечь большое количество вскрышных и вмещающих пород, которые и являются отходами добычи полезных ископаемых. Учитывая ограни­ченное содержание полезного компонента в извлекаемом из недр сырье, количе­ство отходов значительно увеличивается и, к сожалению, складируется и никак не используется в силу различных причин. Ежегодно в стране образуется более 3 млрд т, а вторично используется лишь несоизмеримо малая часть.

В помощь окружающей среде возникла идея создания фасадного матери­ала с применением отходов горнорудной промышленности, который не загряз­няется и не требует тщательного ухода за собой. Затраты на содержание фасада из такого материала значительно уменьшаются, а срок службы облицовочного материала увеличивается. Использование отходов как одного из главных компо­нентов материала позволяет значительно снизить его себестоимость, тем самым делая материал доступным всем желающим.

Ключевые слова: облицовочный материал; отходы горнорудной промыш­ленности; самоочищающаяся поверхность.

Модель исследования состоит из двух частей: создание основы материа­ла — подложки с применением отходов горнорудной промышленности — и соз­дание самоочищающейся поверхности на полученной основе.

Исходными материалами для создания подложки являлись: цемент белый ЦЕМ I 52,5 Н (Cimsa, Турция), удовлетворяющий требованиям ГОСТ 30515–97 «Цементы. Общие технические условия» [11], кварцевый песок, Мк = 2,8, удовлет­воряющий требованиям ГОСТ 8736–93 «Песок для строительных работ. Техни­ческие условия» [3], отходы горнорудной промышленности, Sуд = 3000–4000 см2/г, суперпластификатор С-3 и гиперпластификатор Melflux 2651F, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 24211–2003 «Добавки для бетонов и растворов. Общие техни­ческие условия» [7], водопроводная вода, соответствующая требованиям ГОСТ 23732–79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия» [6].

Для создания подложки в соответствии с ГОСТ 26633–91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия» [9] и ГОСТ 27006–86 «Бетоны. Правила подбора состава бетонов» [10] был произведен расчет состава мелкозернистого бе­тона с учетом исходных материалов и предъявляемых требований к бетону: рас­плыв конуса на встряхивающем столе после 30 встряхиваний 180–190 мм, класс по прочности на сжатие В30, водопоглощение не более 4 %, морозостойкость F150.

Первым шагом в подборе состава бетона являлось определение оптималь­ного количества вводимых отходов. Для этого было изготовлено 5 партий образ­цов из равноподвижных смесей с различным содержанием отходов и одинако­вым расходом цемента по расчету. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Исходя из полученных данных, оптимальным по всем показателям явля­ется состав с введением 50 % отходов от массы заполнителя, однако он имеет за­вышенную прочность на сжатие для класса В30. Как известно, мелкозернистые бетоны отличаются повышенным расходом цемента из-за отсутствия крупного заполнителя.

1

2

Поэтому вторым шагом наших исследований стало снижение расхода це­мента за счет введения отходов в качестве наполнителя. Для этого были изго­товлены 6 партий образцов из равноподвижных смесей с содержанием отходов 50 % от массы заполнителя и разным расходом цемента. Были изготовлены так­же 5 партий образцов, в которых суперпластификатор С-3 был заменен на ги­перпластификатор Melflux 2651F. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, введение отходов позволяет снизить расход цемента до 69 % от расчетного, при этом прочность бетона не является завышенной, а со­ответствует необходимому значению для расчетного класса. Кроме того, введение отходов позволяет снизить плотность мелкозернистого бетона примерно на 15 %, что тоже очень важно для фасадных материалов. Замена суперпластификатора на гиперпластификатор позволяет получить литые смеси и снизить расход воды затворения. Очень важным аспектом является то, что введение отходов не вли­яет на изменение цвета бетонной смеси, это позволяет с легкостью решать раз­личные архитектурные задачи.

Исходя из полученных результатов, можно сказать, что состав подложки определен. Таким образом, мы можем перейти ко второй части исследования, целью которой является получение самоочищающегося фасадного материала.

Эффект самоочищающейся поверхности объясняется взаимодействием жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости. Степень смачи­вания характеризуется краевым углом, образованным касательными плоско­стями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трех фаз (твердое тело, жидкость, газ).

Увеличение степени гидрофобности характеризуется увеличением значе­ния краевого угла смачивания. Воздух, захваченный между водой и поверхно­стью подложки в пространствах вокруг бугорков, обеспечивает больший эффект самоочищения, особенно при контакте с атмосферной влагой.

С физической точки зрения это описывается законом Кассье, который опре­деляет эффективное значение угла контакта θc с жидкостью в случае неоднород­ной поверхности. Математическое выражение закона следующее:

1

Закон объясняет, как можно увеличить значение контактного угла для по­верхности всего лишь придав ей шероховатость.

Степень шероховатости поверхности обеспечивает уменьшение адгезии между водой и поверхностью материала и связана с дисперсностью удаляемых твердых частиц в случае присутствия их в воде, то есть имеет взаимосвязь с раз­мером удаляемых частиц. Это объясняет, в частности, эффект удаления твердых частиц водой вследствие более высокой адгезии между водой и дисперсными твердыми частицами, чем адгезия между последними и поверхностью материа­ла. Схематично эффект самоочищения показан на рис. 1.

1

 

При решении проблемы придания эффекта самоочищения подложке мы ориентировались на доступность и низкую стоимость сырья, простоту техноло­гии получения таких материалов. В ре­зультате анализа научно-технической и патентной литератур нами был оста­новлен выбор на кремнийорганических соединениях.

Особенностью кремнийорга­нических соединений является следу­ющее: наносимые в виде пленок, они ориентируются на жидкости и твердые материалы таким образом, что кисло­род силоксановой связи направлен к воде, керамике, стеклу, целлюлозно­му волокну и т. п., а углеводородные радикалы — в противоположную сторону. Этим объясняется появление у такой поверхности гидрофобных свойств [12]

1

 

Для увеличения гидрофобности кремнийорганических покрытий мы ис­пользовали в качестве веществ, увеличивающих шероховатость поверхности этих пленок, некоторые соединения из группы оксидов амфотерных металлов.

На основе этих материалов были изготовлены композиционные покрытия для полученной ранее подложки. Гидрофобность определялась по изменению краевого угла смачивания необработанной поверхности подложки к обработан­ной. Некоторые результаты приведены в табл. 3 и проиллюстрированы рис. 2.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что использо­вание дисперсного минерального гидрофобизатора в сочетании с кремнийорга­ническими жидкостями позволяет придавать материалу эффект самоочищения.

Следующим этапом работы будет проведение испытаний, определяющих морозостойкость материала и долговечность самоочищающегося покрытия. Будут также выбраны различные системы с кремнийорганическими жидкостями для выявления механизма взаимодействия гидрофобных поверхностей с дисперсным гидрофобным наполнителем и изучение влияния химической природы, дисперс­ности, концентрации, равномерности распределения по поверхности подложки.

1

Результатом исследования является разработка принципиально нового фасадного материала, не имеющего аналогов на российском рынке. За счет при­менения в полученном материале отхо­дов можно снизить расход цемента на 69 %. Эта экономия позволяет исполь­зовать современные химические добав­ки для получения более качественных бетонных смесей, при этом общая сто­имость материала остается более чем доступной.

Использование отходов при производстве материала и отсутствие необходимости применять химические средства при чистке фасадов зданий, об­лицованных самоочищающимися материалами, позволяют улучшить экологи­ческую обстановку в мире.

Литература

  1. Бартлотт В., Найнхуис К. Патент RU 2 246 514 C2. Способ изготовления самоочищающихся поверхностей и изделие с такой поверхностью. Феде­ральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Москва, 2005.
  2. ГОСТ 5802–86 «Растворы строительные. Методы испытаний».
  3. ГОСТ 8736–93 «Песок для строительных работ. Технические условия».
  4. ГОСТ 12730.1–78 «Бетоны. Методы определения плотности».
  5. ГОСТ 12730.3–78 «Бетоны. Методы определения водопоглощения».
  6. ГОСТ 23732–79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия».
  7. ГОСТ 24211–2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия».
  8. ГОСТ 25192–82 «Бетоны. Классификация и общие технические требова­ния».
  9. ГОСТ 26633–91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия».
  10. ГОСТ 27006–86 «Бетоны. Правила подбора состава бетона».
  11. ГОСТ 30515–97 «Цементы. Общие технические условия».
  12. Пол Д.Р., Бакнелл К.Б. Полимерные смеси. Т. 2: Функциональные свойства / ред.: Д.Р. Пол, К.Б. Бакнелл; пер. с англ. под ред. В.Н. Кулезнева. СПб.: На­учные основы и технологии, 2009. — 606 с.; ил.
  13. Рекомендации по подбору состава тяжелых и мелкозернистых бетонов (к ГОСТ 27006–86)» // ЦИТП Госстроя СССР, 1990.
  14. Сандерсон К.Д., Ноулз Д.Э. Патент RU 79 556 U1. Самоочищающийся лист остекления. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, па­тентам и товарным знакам. Москва, 2009.
  15. Тирауф А., Бауэр Ф, Гаст Э. Патент RU 2 318 781 C2. Керамическое формо­ванное изделие с фотокаталитическим покрытием и способ его получения. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и то­варным знакам. Москва, 2008.

Информационные партнеры