Арболитобетонные блоки. Производство

    ВВЕДЕНИЕ 

    В России стеновые материалы производят на 4731 предприятий. Производство стеновых материалов в 1996 году составило 13342,9 млн.шт.усл. кирпича. Производство эффективных  стеновых изделий в настоящее  время составляет около 18% общего объема выпуска.

    Выпуск  эффективных теплоизоляционных  материалов (ячеистые бетоны, полимерные и волокнистые материалы) в США, Германии, Швеции, Финляндии в расчете  на одного жителя в 5-7 раз выше, чем  в России.

    Арболит  нашел  широкое применение в жилищном строительстве во многих странах с различными климатическими  условиями. Его активно используют в Швеции, Германии, Финляндии, Норвегии, Польше и в других странах,  где он остается одним из эффективных материалов  для  ограждающих конструкций и применяется как  в  виде панелей, так и в виде мелких стеновых блоков

    Арболитом называют бетон на цементном вяжущем  и органических заполнителях. Для  получения заданных свойств в  него вводят специальные химические добавки. В качестве органических заполнителей используют измельченную древесину из отходов лесозаготовок и деревообработки, а также костру льна, конопли, рисовую солому и дробленые стебли хлопчатника.

   Органические  заполнители с течением времени  способны выделять вещества, отрицательно влияющие на гидратацию цемента. Для  компенсации этого влияния используют специальные добавки, например, хлористый кальций, а древесную щепу перед употреблением выдерживают не менее одного месяца, предохраняя от увлажнения. Кроме того, органические заполнители при определенных условиях могут загнивать или подвергаться биоповреждениям. Во избежание этих явлений конструкции из арболита используют, как правило, для зданий с относительной влажностью воздуха помещений не более 60% и при отсутствии агрессивных газов. В арболит также вводят жидкое стекло или комплексные добавки, образующие плёнку на поверхности органических частиц и тем самым препятствующие протеканию деструктивных процессов в материале.

      Наружная поверхность изделий  из арболита, соприкасающаяся с  атмосферной влагой, должна иметь  отделочный фактурный слой, обеспечивающий защиту арболита от увлажнения.

    Арболиту  присущи прочность, огнестойкость, биостойкость бетона и небольшая  плотность, хорошие теплоизоляционные  свойства, легкость обработки режущим  инструментом и гвоздимость древесины.

        Также одним из преимуществ арболита, за которое он пользуется такой популярностью, является его низкая теплопроводность, которая ниже в несколько раз, чем у его ближайших конкурентов, таких как керамзитобетон и кирпич. Также, используя в строительстве арболитобетонные блоки, можно добиться минимальных теплопотерь в холодное время года и избежать прогрева помещения в теплое, что помогает заметно сэкономить на отоплении и кондиционировании зданий.

   Арболит в зависимости от средней плотности  в высушенном до постоянной массы состоянии подразделяют на теплоизоляционный и конструкционный.  

    Таблица 1 

    Свойства  арболита  

 
 

    Перед учеными стоит задача по разработке технологии получения нового поколения арболита с более высокими, чем у существующих, прочностью и морозостойкостью при низкой плотности. 

   1 АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ 

    Строительство проектируемого завода по производству стеновых блоков из арболита будет осуществляться в г. Братск. Производительность формовочного цеха составляет 40 тыс. м³ в год.

    Расчетная температура зимнего периода составляет -43°С. Средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха менее +8°С составляет —8,6°С, отопительный период 249 суток.

Для производства стеновых блоков из арболита будут использоваться:

1. Портландцемент М400, доставленный автомобильным транспортом с завода "Ангарскцемент".
2. Дробленка из отходов лесопиления и деревообработки хвойных пород, доставленная железно дорожным транспортом с Братского лесопромышленного комплекса.
3. Песок речной, доставленный автомобильным транспортом.
4. Химическая добавка - технический хлористый кальций, доставленный автомобильным транспортом.

  Потребителями продукции данного завода будут строительные организации г. Иркутск и области. 

  2 НОМЕНКЛАТУРА ПРОДУКЦИИ

    На  данном предприятии рассчитывают выпускать стеновые блоки из арболита размером 390×190×188 мм (ГОСТ 6133-99). Отклонения от проектных размеров не должны превышать по высоте, ширине и толщине ±5мм, разность диагоналей поверхности блоков не должна превышать 10мм (ГОСТ 19222-84).

    Изделия следует обозначать марками в соответствии с ГОСТ 23009-78.

     Получаемый арболит будет иметь  класс по прочности на сжатие В3,5, марку по прочности при осевом сжатии М50, а также среднюю плотность 800 кг/м³ и теплопроводность 0,16 Вт/(мºС). 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1 Стеновой блок из арболитобетона 

   3 ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 

    3.1 Портландцемент по ГОСТ 10178-85.  

    Технические требования: не должен содержать добавок  трепела, трасов, глинита, опорки и глиежа. Содержание трехкальциевого силиката не менее 50 процентов, трехкальциевого алюмината не более шести процентов. Начало схватывания - не ранее двух часов, конец - не позднее четырех, после затворения. 

     3.2 Вода по ГОСТ 23732-79. 

      Технические требования: вода не должна содержать пленки нефтепродуктов, жиров, масел. Также в воде не должно быть окрашивающих примесей. Окисляемость воды не должна быть более 15 мг/л. Водородный показатель воды (pH) не должен быть менее 4 и более 12,5. Вода не должна содержать также примесей в количествах, нарушающих сроки схватывания и твердения цементного теста и бетона, снижающих прочность и морозостойкость бетона.

    Дозирование материалов при изготовлении арболитовой  смеси должно производиться с точностью: цемента ±2 % по массе; древесной дробленки  
±5 % по объему с контролем по массе; воды ±2 % по массе или объему; растворов химических добавок ±2 % по массе или объему.

    Самый высокий оптимальный показатель прочности арболита, изготовленного на древесной дробленке, можно получить при Д/Ц=0,6.

    Оптимальным В/Ц отношением при Д/Ц=0,6 является отношение В/Ц=1,1. 

    3.3 Заполнитель 

    Применяется измельченная древесина из отходов лесозаготовок, соответствующая требованиям ГОСТ 19222-84.

    Измельченная  древесина должна удовлетворять  следующим требованиям:

    Размеры древесных частиц не должны превышать по длине 40, по ширине 10 мм, а по толщине 5 мм;

    Показатель пригодности (удельный расход цемента на единицу прочности арболита при сжатии) должен быть не более 15;

    Содержание водорастворимых редуцирующих веществ не должно быть более 2%;

    Фракционный состав органического заполнителя  должен находиться в пределах, указанных в таблице 1. 

    Таблица 2 

    Фракционный состав органического заполнителя

     

           
 

    Среднее значение коэффициента формы частиц не должно быть более восьми. Количество частиц с коэффициентом формы более восьми не должно превышать 20% для остатка на сите с отверстиями размером 20 мм и 10 % для остатков на ситах 10 и 5 мм. 

    3.4 Добавка 

    Хлорид  кальция по ГОСТ 450-77 ХК.

    Применяется как ускоритель твердения. Размер частиц хлористого кальция, выпускаемого в виде чешуек и гранул, не должен превышать 10 мм. Допускается в жидком хлористом кальции, изготовляемом в течение года по безупарочному способу, массовая доля хлористого кальция не менее 32 %, а в продукте, изготовляемом другими способами в период с октября по апрель (включительно), массовая доля хлористого кальция - не менее 30 %.

    Химические  добавки допускаются к применению только в виде комплексных добавок (в пересчете на сухое вещество): жидкое стекло и хлорид кальция в  соотношении 2 : 1по массе в количестве 4 - 6 % от массы цемента. 

    3.5 Песок, щебень или гравий 

    Заполнители для бетона наружных или внутренних отделочных слоев конструкций из арболита должно соответствовать требованиям: плотный песок – ГОСТ 8736-85; плотный  щебень или гравий – ГОСТ 8267-82; 8268-82; неорганические пористые мелкий и крупные заполнители –

    ГОСТ 9757-83.

    Предельную  крупность щебня или гравия принимают 20 мм при толщине бетонного слоя более 30 мм и 10 мм при толщине слоя 30 мм.

    

   4 РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПОТОКА 

   4.1 Режим работы предприятия  

  Годовой фонд рабочего времени технического оборудования рассчитывается по формуле:

                           Т_ф = (Т_н - Т_р)*n*t*К_и                                                        (1) 

    где      Т_ф – годовой фонд рабочего времени, ч;

               Т_н – количество рабочих суток в год, Т_н=260 сут.;

                    Т_р – длительность плановых остановок в сутках на ремонт  оборудования, Т_р=7;

                n – количество рабочих смен, n=2;

                t - продолжительность рабочей смены, t= 8 час.;

                     К_и – коэффициент использования технологического оборудования,                               К_и=0,92. 

                        Т_ф=(260-7)*2*8*0,92 = 3724 ч; (233 дня)    [3] 

4.2 Расчет состава бетона

                         

    Требуется подобрать Арболит класса В2,5 плотностью не более 700 кг/м³ для блоков наружных стен. Ориентированный расход цемента  М400 на 1 м³ арболита при заполнителе  – дроблёнке из отходов деревообработки  хвойных пород составляет 360 кг/м³. Расход органического заполнителя на 1 м³ арболита составляет 240 кг/м³. Ориентированный расход воды на 1 м³ арболита составляет 400 л/м³, а расход химической добавки (хлористого кальция) составляет 8 кг/ м³.

    Расход  дробленки с учетом 50% влажности по массе получаем: 

                    Др' = 240×0,5 + 240 = 360 кг/ м³                                   (2) 

    Расход  раствора добавки определяют по формуле: 

                    А= Д_б/ρ × k ,                                                                   (3) 

    где  А- расход раствора добавки;

           Д_б – расход сухого вещества добавки;

           Д_б = 8 кг/м³;

           ρ – плотность раствора; плотность  10% - ного раствора хлористого  кальция составляет 1,084 кг/м³;

           k – концентрация приготовленного  раствора;

           k = 10%. 

                             А = 8/1,084×10 = 74 л. 

          В древесной дробленке содержатся  воды (при влажности 50%) 240× 0,5 = 120 л., в растворе хлорида кальция  воды содержится 74 – 8 = 66 л. С  учетом воды, содержащейся в древесной  дробленке и в растворе добавки, при приготовлении арболитовой смеси необходимо использовать воды 400 – 120 – 66 = 114 л.

           Плотность арболита в сухом  состоянии: 

                           ρ_с.а'= 1,15Ц + Д_р + Д_б ,                                                  (4) 

    где Ц, Дб и Др – соответственно расход цемента, химической добавки и      древесной дробленки. 

                           ρ_с.а'= 1,15×360 + 240 + 8 = 662 кг/ м³.      

    Таблица 3

    Расход  компонентов на 1 м³ арболита

               

     4.3 Расчет материально-производственного потока 

    Для расчета материального потока уточняется деление производного процесса на технологические  зоны и нормы неизбежных потерь материалов по зонам.

Зона 1: транспортно-сырьевой участок. Потери цемента 1%, древесины   1,5%, химических добавок 0,1%, песка 2%.

Зона 2: склады сырья, потери цемента 1%, песка 2%, химических добавок   0,1%, древесины 1,5%.

Зона 3: бетоносмесительный узел, потери газобетонной смеси 1%.

    Зона 4: формовочная линия, потери газобетонной смеси 0,5%.

    Зона 5: участок термообработки и доводки  изделий, потери 0,5%.

    Зона 6: склад готовой продукции, потери 0,5%.

    Производительность  технологических переделов, м³/год: 

    П_n=П_n+1/(1-Q_n /100)                                  (5) 

    где   П_п – производительность в зоне n, м³/год;

                   П_п+1 – производительность в зоне, следующей за рассчитываемой (для        зоны 6: П₆₊₁=П_завод), м³/год;

             Q_п – производственные потери в зоне, %. 

                         Ц= (П_з*Ц /(1-Q_ц/100) ) + Ц_ф ;                                          (6) 

                         П= П_ф*П/(1-   Q_ц /100)  ;                                                                                (7)  

                         Др=  П_за  * Др /(1- Q_р /100) ;                                             (8) 

                        Дб=  П_за  * Дб /(1- Q_б /100) ,                                              (9) 

       где Ц, П, Др и Дб– потребности в материалах, соответственно в цементе,   песке, древесной дробилке и химической добавке;

                П_з – производительность в данной зоне;

                    Ц, П, Др и Дб– соответственно расход цемента, песка, древесины и         химической добавки на 1м³ условного бетона, м³;

                    Q_ц,Q_п,Q_р,Q_б – соответственно потери цемента, песка, древесины и      химической добавки (для зон 1 и 2).

    Суточные (м³/сут) и часовые (м³/ч) производительности в зонах рассчитываются по формулам: 

                 П_сут=П/((Т_н-Т_р)*К_и) ;                   (10) 

                         П_ч=П/Т_ф   ,                                  (11) 

    где     Т_н – нормальное количество рабочих суток в гаду, Т_н=260 сут;

              Т_р – длительность плановых остановок на ремонт, Т_р=7 сут;

              Т_ф – годовой фонд рабочего времени оборудования, Т_ф= 3724 ч;

          К_и – коэффициент использования технологического оборудования,   

                (для поточно-агрегатных К_и=0,92). [3] 
 

             Расчет растворной смеси для  фактурного слоя

      

            

            
 
 
 

Рисунок 2 Стеновой блок

1-фактурный слой; 2-арболитовый слой. 

Для 1-го изделия: 

Vф.слоя = (0,01 + 0,015)*0,39*0,188 = 0,0018м³ 

    Для всех изделий: 

Vф.слоя∑ = П_за*0,0018/0,39*0,19*0,188 ,  (12)

     

    Песок речной для фактурного слоя принимаем  со следующими характеристиками:

   - насыпная плотность песка, ρнп = 1,52 т/м³;

   - истинная плотность песка, ρп= 2,51 т/м³; [4,стр.43,табл.14]

   В соответствии с [5, стр.11, табл.2] ориентированный  расход портландцемента М400 при марке  раствора 75 составляет 360 кг на 1 м³ раствора.

   Ориентированный расход воды, л на 1 м³ растворной смеси, определяется по формуле:

             

                                     В= 0,75*Цф                                                                     (13) 

                                   В=0,75*360= 270 л. 

    Расход  песка на 1 м³ растворной смеси рассчитывается по формуле: 

                            П= 1/((Vп.п×α/ρнп) + 1/ρп )  ,                                           (14) 

    где  Vп.п – пустотность песка в рыхлом состоянии: 

                                 Vп.п = 1 – ρнп / ρп ;                                                             (15) 

            ρнп, ρп – соответственно насыпная  и истинная плотность песка,  т/м³;

        α – коэффициент раздвижки  зерен песка. Для растворных  смесей подвижностью 6-10см α=1,2.  [5,стр.14-15] 

                          Vп.п = 1 – 1,52/2,51 = 0,39 

                          П =1/((0,39×1,2/1,52) + 1/2,51) = 1,42  т/м³     

    Расчет 0-ой зоны: 

    По = 40000 м³/год;

    Пºсут = 40000/(260-7)*0,92 = 145,46 м³/сут;

    Пºчас = 40000/3724 = 10,74 м³/час. 

    Расчет 6-ой зоны: 

  П6 = П_о/(1-0,5 /100) = 40000/(1-0,5/100) = 40201 м³/год;

  П сут = П₆/((260-7)*0,92) = 40201/(260-7)*0,92 =146,19 м³/сут;

  П час = П₆ /3724 = 40201/3724 =10,8  м³/час. 

    Расчет 5-ой зоны: 

    П5 = П₆/(1-0,5 /100) = 40201/(1-0,5/100) = 40403³/год;

    П сут = П₅/((260-7)*0,92) = 40403/(260-7)*0,92 = 146,92 м³/сут;

    П час = П₅ /3724 = 40403/3724 =10,85 м³/час. 

    Расчет 4-ой зоны:  

    П4 = П₅/(1-0,5 /100) = 40403/(1-0,5/100) = 40606 м³/год;

    П сут = П₄/((260-7)*0,92) = 40606/(260-7)*0,92 = 147,66 м³/сут;

    П час = П₄ /3724 = 30455/3724 = 10,9 м³/час. 

    Расчет 3-ой зоны: 

Для арболитовой  смеси: 

 П3а = П₄/(1-1 /100) = 40606/(1-1/100) = 41016,16 м³/год;

 П³ сут = П_3а/((260-7)*0,92) = 41016,16/(260-7)*0,92 = 149,15 м³/сут;

 П³  час = П_3а /3724 = 41016,16/3724 = 11,01 м³/час. 

Для фактурного слоя: 

 П3ф = 41016,16*0,0018/(0,390*0,190*0,188) = 5299,7 м³/год;

 П³ сут = П_3ф/((260-7)*0,92) = 5299,7/(260-7)*0,92 = 19,27 м³/сут;

 П³  час = П_3ф /3724 = 5299,7/3724 = 1,42 м³/сут; 

    Расчет 2-ой зоны: 

Древесина: 

Др²=  41016,16*0,24 /(1- 1,5 /100) = 9993,76 т/год; 

Др²=  9993,76/0,2 =49968,93м³/год;                                                   

Др,сут²= 49968,93/(260-7)*0,92 = 181,71 м³/сут;

Др,час²= 49968,93/3724 = 13,42 м³/час; 

Химические  добавки: 

 Дб²=  41016,16*0,008 /(1- 0,1/100) = 328,46 т/год;                                                                                                           

 Дб,сут²= 328,46/(260-7)*0,92 = 1,19 т/сут;

 Дб,час²= 328,46/3724 = 0,088 т/час;