Баротехнология: развитие и перспективы.
К 25-летию создания баротехнологии
Во второй половине 70-х годов прошлого века в промышленности строительных материалов Украины получило развитие производство теплоизоляционного материала для строительства - ячеистого бетона. Нельзя сказать, что этот материал был для Украины и СССР совершенно новым. Уже, к примеру, успешно действовал в Украине Белгород-Днестровский опытно-экспериментальный комбинат строительных материалов, на котором налаживали выпуск перспективных строительных материалов, в том числе изделий из ячеистого бетона; в процессе строительства, реконструкции, монтажа и наладки находился Матвеевский силикатный завод (позже Николаевский комбинат силикатных изделий), Славутский завод строительных материалов, Черниговский, Сумской и др., в процессе разработки проектных решений были, в том числе, Береговский и Купянский заводы.
Наибольшее развитие в те годы производство изделий из ячеистого бетона получило в Прибалтике. В Эстонии (г. Таллинн) находился ведущий институт НИПИСиликатобетон, на базе которого были сосредоточены практически все разработки нового технологического оборудования и технологий с привлечением профильных институтов Союза - Гипростроммашина (г. Киев), Белгипростром (г. Минск), НИИСМИ (г. Киев) и др. Испытания оборудования и отработка технологий осуществлялись на опытном заводе НИПИС (г. Таллинн), комбинате Сморгоньсиликатбетон, Гродненском, Николаевском, Белгород-Днестровском, Славутском заводах с привлечением специалистов ВНИИСТРОМ (г. Москва).
Чем же был обусловлен интерес, а скорее поворот, к новым теплоэффективным строительным материалам?
Объяснение этому есть: именно кризисные явления 1973 и 1979-80 гг., связанные в том числе с событиями на Ближнем Востоке, вызвали значительное увеличения цен на нефть, нефтепродукты и природный газ - основные виды топлива. Кроме того, к этому времени накопились проблемы, связанные с недостаточным количеством энергоносителей. Во многих странах мира это вызвало мгновенную реакцию, что практически выразилось в стимулировании энергосберегающих мероприятий, прямым следствием чего явились разработки и организация выпуска энергосберегающей продукции, к которой, безусловно, в полной мере относятся изделия из ячеистого бетона, среди всех строительных материалов максимально приближающиеся по физико-механическим характеристикам к конструкциям и изделиям из древесины - общепризнанного наиболее теплоэффективного природного материала.
Все это послужило толчком к постановке задачи энергосбережения в нашей стране и, как прямое следствие, началу переориентировки развития промышленности, составной и существенной частью которой является промышленность строительных материалов.
Министерства, объединения, ведущие институты начали формировать коллективы, позже переросшие во временные научно-производственные подразделения, которые и были нацелены на выполнение в том числе и этих задач.
Естественно, в стороне не осталось и Министерство промышленности строительных материалов Украины (МПСМ УССР), где один из таких коллективов образовался при объединении УкрНИСтромпроект, в состав которого входил Государственный научно-исследовательский институт строительных материалов и изделий НИИСМИ (г. Киев), возглавляемый в то время к.т.н. с.н.с. Удачкиным Игорем Борисовичем. Именно под его руководством и при непосредственном участии получила развитие технология производства ячеистых бетонов в Украине.
Используя свой талант организатора и руководителя, И.Б. Удачкин сумел объединить в коллектив производственников - Шмыговского Н.Я., Заботина И.И., Назарова Т.Н.; представителей пуско-наладочных организаций - Ковальчук Ю.Г., Алексеенко А.А., Богатырева Г.М., а также молодых специалистов-аспирантов НИИСМИ - Васильева В.В., Опекунова В.В., Лаповскую С.Д., Захарченко П.В. и, конечно, мэтров - к.т.н. Нациевского Ю.Д. и к.т.н. Троцко Т.Т.
За плечами представителей производства и науки, наладочных организаций был большой опыт по руководству и эксплуатации крупных заводов и комбинатов, пуску и наладке с выводом на проектную мощность производственных комплексов и комбинатов в СССР. У коллектива молодых ученых - свежие знания, задор и огромное желание внести свой вклад в развитие промышленности.
Прежде чем приступить к описанию принципа «баротехнологии» и соответствующего технологического оборудования, необходимо изложить причины, приведшие к разработке и созданию этой технологии.
Общеизвестно, что среди главных проблем при производстве ячеистобетонной смеси по традиционной технологии являются:
1. Практическая невозможность совмещения времени окончания газообразования с моментом начала схватывания смеси. Всегда процесс газообразования протекает несколько дольше, т. к. в противном случае неизбежно происходит оседание массива. Это приводит к разрушению межпоровых перегородок в уже схватившемся массиве и, как следствие - капиллярному подсосу и т. д., что отрицательно сказывается на физико-механических характеристиках материала, а также ведет к перерасходу газообразователя и ПАВ.
2. Разрушение схватившейся поризованной массы при приложении механических усилий (перемещение форм, разгрузка, укладка и т. д.). Приготовление смеси в стационарных промышленных смесителях СМС-40, СМС-40Б, и др., вследствие их конструктивных особенностей, делает невозможным транспортирование смеси на значительные расстояния, которые ограничиваются лишь возможностью перемещения собственно смесителя.
3. Нецелесообразность формования изделий плотностью ниже 400 кг/м:!, т. к. такой материал обладает незначительной прочностью и легко разрушается в процессе транспортирования.
Именно совокупность этих основных причин и обусловила необходимость разработки технологии, которая могла бы сочетать в себе все положительные стороны материалов, получаемых по традиционной технологии, и, в свою очередь, существенно снизить, а то и вовсе исключить все выше указанные недостатки.
Сама идея баротехнологии возникла при обсуждении тем возможных диссертационных работ у руководителя Удачкина Игоря Борисович, у аспирантов Васильева В.В. и Ковальчука Ю.Г. Для проверки идеи были изготовлены лабораторные баросмесители объемом 6 л с горизонтальными и вертикальными валами и ударная установка.
После получения положительных результатов в лабораторных условиях НИИСМИ необходимо было реализовать процесс получения ячеистобетонной смеси при избыточном давлении в производственных условиях. В этом неоценимую помощь оказали директор Николаевского КСИ Шмыговский Н.Я. и гл. инженер, позже директор комбината Заботин И.И. Ведь именно на базе их предприятия в дальнейшем были изготовлены и эксплуатировались баросмесители объемом 0,16 м3
(рис. 1), 3,2 м3, 4,5 м3, 5 м3, БГС-1-9 м3 (рис. 2), БГС-2-11 м3 (рис. 3).
Все баросмесители, за исключением экспериментального — 0,16 м3 и БГС-2, в разное время успешно эксплуатировались, а БГС-1, удостоенный премии ВДНХ УССР, стал основой линии производства изделий, разработанной, спроектированной и смонтированной под руководством тех же авторов.
Вторым по значимости шагом в работе, пока еще вне рамок утвержденной позже государственной программы «Баротехнология изделий из ячеистого бетона», было создание экспериментального баросмесителя объемом 0,16 м3.
Для реализации всей технологической схемы была изготовлена лабораторная установка с обеспечением подачи воздуха избыточного давления от передвижного компрессора.
Экспериментальный смеситель объемом 0,16 м3 изготовлен на базе химического реактора производства Фастовского завода «Красный Октябрь». Применен разработанный привод с новым перемешивающим валом с активными перемешивающими лопастями, изготовлены и установлены загрузочные и разгрузочные устройства, обеспечивающие герметизацию смесителя в процессе перемешивания и выгрузки смеси, на основе пневмомеханизмов от серийного дозатора жидкости АВДЖ, изготовлена металлоконструкция смесителя с площадкой обслуживания, а также форма соответствующего объема.
Для экспериментальных формовок применяли используемое на НКСИ сырье: песок местного карьера, известь Варваровского завода и имеющиеся б то время поверхностно-активные вещества - эмпикол, сульфонол, генопол.
Результаты экспериментов подтвердили целесообразность применения комплексных добавок, а также газопенной поризации смеси.
Для промышленного внедрения нужно промышленное оборудования, точнее его опытно- экспериментальные образцы и, безусловно, «полигон» для испытаний. Т. к. экспериментальные формовки и большинство наработок по экспериментальной базе выполнены на НКСИ, то было принято решение промышленное внедрение проводить на том же комбинате.
Был сооружен дозировочный узел. В качестве емкости для перемешивания использовали фастовские реакторы, но уже объемом 3,2 м3 и 6,3 м3. Выбор этих емкостей был не случаен. Они были рассчитаны на работу под избыточным давлением, в нужном диапазоне в заводских условиях обеспечена полная герметизация.
Реактор объемом 3,2 м3, хотя и недостаточной для заполнения формы емкости, был в наличии на комбинате, соответственно на его базе и изготовлен первый опытный смеситель. Он дал возможность в полной мере испытать в производственных условиях большинство узлов и механизмов, примененных на смесителе объемом 6,3 м3. Т. к. баросмеситель - аппарат, работающий под избыточным давлением, то и соответственно ко всем установленным на нем органам были предъявлены те же требования; применены загрузочные устройства от пневмокамерных цементных насосов, разгрузочные — на базе установок СМ-550 и АВДЖ.
Конструкции и формы смесителей были максимально приближены к соответствующим габаритам серийно выпускаемых смесителей СМС-40 и СМС-40Б, рассчитанных на работу с основным технологическим оборудованием данного проекта.
Формовки, осуществленные с применением смесителя 3,2 м3 в общем подтвердили все ожидания, но использовать этот смеситель на промышленной линии не представлялось возможным, т. к. объем форм, предназначенных для работы с резательным комплексом «Универсал», составлял 5 м3,т. е. заливать форму нужно было в два приема. Именно это обстоятельство привело к принятию решения о создании смесителя объемом 6,3 м3.
К разработке такого смесителя были привлечены специалисты конструкторского отдела объединения «Укрнистромпроект» под руководством Кравченко Ю.П.
При работе с баросмесителями 3,2 м3 и 6,3 м3 был накоплен значительный опыт. По итогам формовок на этих смесителях нами был сделан вывод о неперспективности изготовления смесителей на базе химических реакторов. Громоздкое и дорогостоящие оборудование сравнительно небольшой производительности и очень сложное в изготовлении, по нашему мнению, было не тем направлением в реализации баротехнологии, на которое можно было бы ориентировать производство.
К тому же необходимо отметить, что для заливки форм объемом 9 м3, имеющихся на заводе, и учитывая, что по баротехнологии формирование поровой структуры происходит на стадии перемешивания (до загрузки в форму), в отличие от традиционной технологии, где это происходит непосредственно в форме (после разгрузки), то для заполнения формы необходим смеситель объемом не менее 9 м3, а химические реакторы такого объема по своим габаритам и массе явно не вписывались в производственные возможности предприятия.
Выбран вариант реконструкции серийного смесителя СМС-40Б, путем его дооснащения соответствующими системами.
При этом углы подачи могли изменяться в диапазоне 360° через каждые 30°, а глубина подачи воздуха в смесь - от 50 до 500 мм. Конструкция форсунок позволяла обеспечить подвод к ним сжатого воздуха от четырех ресиверов с соответствующей аппаратурой, которая обеспечивала необходимый заданный режим подачи избыточного давления в емкость смесителя.
На этом смесителе проведены многочисленные эксперименты, которые были обработаны, а по их результатам подана заявка и получено а.с. СССР на изобретение №1263329 с приоритетом от 26 марта 1985 г. «Способ гомогенизации сухих и влажных смесей» (авторы Ковальчук Ю.Г. и Опекунов В.В.
По результатам проведенных экспериментов сформулированы технические требования к смесителю следующего поколения, который получил название БГС-2. В этом смесителе максимально учтены результаты экспериментов с применением предыдущих образцов смесителей, но самое существенное его отличие - наличие восьми отражательных лопастей, которые могут изменять свой угол атаки в пределах 120°. Эти лопасти соединены попарно и приводились в движения 4-мя пневмоцилиндрами. На основании результатов предыдущих экспериментов, на БГС-2 установлены всего четыре регулируемые форсунки в наиболее оптимальном для выбранной конфигурации смесительной емкости месте — по периметру смесительной емкости.
Всевозможные сочетания углов расположения и количества лопастей перемешивающего вала, углов атаки отражательных лопастей, алгоритм их поворота и временной интервал в сочетании с режимами, глубиной подачи воздуха избыточного давления в смесь и стали предметом дальнейших исследований. В результате, смеситель БГС-2 был принят в промышленную эксплуатацию на действующей линии.
Основные конструктивные решения по смесителю БГС-2 оформлены а.с. СССР №1263329 «Способ гомогенизации сухих и влажных смесей» от 26.03.1985 г. (авторы Ковальчук Ю.Г. и Опекунов В.В.), а также а.с СССР №1583301 «Смеситель» от 20.11.1987 г. (авторы Ковальчук Ю.Г. и Опекунов В.В.).
Чтобы исключить брак продукции, а это могло быть также по причине форсированного набора прочности бетоном, изготовленным по новой технологии, сконструирована резательная установка под массив 9 м3. На установке можно разрезать массивы при пластической прочности бетона на момент разрезки до 900-1000 г/см2. Это стало необходимым вследствие того, что резательные органы на массивы 9 м3
были смонтированы непосредственно на бортоснастке, которая поднималась краном, т. е. процессы съема оснастки и разрезки массивов были совмещены и при резком наборе бетоном прочности большинство струн рвались.
Разработанные технология и оборудование позволили сократить расход алюминиевого газообразователя до 30%, улучшить поровую структуру бетона, повысить его прочность и т. д. Но полностью отказаться от применения алюминиевого газообразователя можно было лишь при обеспечении насыщения воздухом смеси в полном объеме непосредственно в смесительной емкости, а для этого нужен был смеситель с рекордным далее по мировым масштабам объемом смесительной камеры - 11,5 м3.
К разработке и созданию смесителя такого объема приступили в начале 1989 г. По нашему замыслу, в конструкции смесителя должны быть учтены все положительные конструктивные решения, наработанные в предыдущих конструкциях, а также максимально предусмотрены все возможные варианты конструкции для реализации необходимого технологического процесса.
Смеситель БГС-3 монтировали и собирали прямо на площадке склада готовой продукции НКСИ.
Емкость смесителя БГС-3, в отличие от БГС-2, была разборной: она состояла из верхней цилиндрической части 0 3 м и высотой 1,2 м, а также нижней цилиндрическо-конической части, в которой на цилиндрической части высотой 400 мм расположены форсунки, поворотные отражательные лопасти, в нижней конической ее части устроены 3 разгрузочных клапана 0 350 мм и смонтированы механизмы привода перемешивающего вала. Этот перемешивающий вал должен был приводить в движения двигатель 45 кВт х 150 об/мин в отличие от 3В кВт х 1500 об/мин у БГС-2.
Смеситель к марту 1990 г. был практически готов, испытан на воде, опробованы все системы и узлы в холостом режиме, но так и не был установлен на линии.
Для создания оборудования, работающего по безавтоклавной технологии, в марте 1990 г. создана Украинская научно-техническая ассоциация «Силикат», которая позже, как учредитель, вошла в Межреспубликанскую ассоциацию «Силикат» (г. Минск), а в 1995 г., с возрождением Академии строительства Украины, реорганизована в Украинский национальный научно-производственный концерн «Институт поризованных бетонов» Академии строительства Украины {концерн «Силикат»).
В рамках Ассоциации проведены масштабные работы по разработке комплекса «Конрекс 90/120»; реконструкции заводов силикатного кирпича с организацией на них производства изделий из ячеистого бетона; доработки серийно выпускаемого оборудования, в частности, резательного комплекса «Универсал» на Обуховском заводе пористых бетонов и т. д.
Эти все работы производились по оборудованию заводов, выпускающих изделия из ячеистого бетона автоклавного твердения, но постепенно все усилия коллектива Концерна были направлены на разработку и изготовление оборудования, работающего по безавтоклавной технологии.
Еще в начале 80-х годов прошлого столетия у вышеупомянутого коллектива была сформирована задача о необходимости создания компактной мобильной линии оборудования, которое могло бы быть установлено на небольших площадях, в том числе и непосредственно на стройплощадках, было бы просто в обслуживании и могло бы за счет своей мобильности использоваться по различному назначению: от занятия высвободившейся рабочей силы в колхозах в зимнее время, включая изготовление строительных материалов для постройки коровников, хозпостроек, а также коттеджей собственными силами до заливки с целью утепления полов, крыш, колодезной кладки, опалубки и т. д. непосредственно на этапе строительства объектов.
Это, безусловно, имеет свои колоссальные преимущества. Ведь известно, что перевозить изделия низкой плотности (утеплители) экономически нецелесообразно. Такие изделия подвергнуты большому риску повреждения при транспортировке, что, в свою очередь, требует специальной упаковки, контейнеров и т. д., а это удорожает материалы, включая расходы на доставку. Мало того, производимый на больших предприятиях теплоизоляционный и конструкционно-теплоизоляционный ячеистый бетон значительно ухудшает свои свойства в строении при укладке этих изделий на цементный раствор, обуславливающий образование так называемых «мостиков холода» по швам.
Этого недостатка напрочь избавлена технология монолитного пенобетона, произведенного на специально разработанных мобильных мини-установках, работающих по баротехнологии.
По принципам, описанным в вышеуказанных авторских свидетельствах, а в основном по а. с. СССР №1583301 «Смеситель», концерном «Силикат» разработано семейство мини-установок типа УПС объемом от 0,22 до 0,27 м3, а также полустационарную установку ПБС-0,5 объемом 0,65 м3, серийный выпуск которых налажен концерном «Силикат» на специализированных предприятиях.
Разработанное мини-оборудование дает возможность приготавливать смесь плотностью 250—1000 кг/м3, транспортировать вышеуказанную смесь на расстояние до 40 м по горизонтали и до 10 м по вертикали.
При своей массе до 350 кг установки можно легко перемещать, что дает возможность осуществлять заливку опалубки и колодезной кладки на вышеуказанных расстояниях, таким образом решая проблему «теплого» монолитного утепления крыш, полов, потолков, стен и т. д.
Наряду с разработкой конструкции оборудования, концерн «Силикат» в сотрудничестве с Государственным НИИ вяжущих веществ и материалов им. В. Д. Глуховского КНУСА ведет разработку новых направлений вышеуказанной технологии. Так, получены образцы жаростойкого ячеистого бетона, а также, пенобетона повышенной прочности (в 2 раза превышающие прочностные показатели, представленные ДСТУ), разработана технология теплого пола с нанесением упрочняющего самовыравнивающегося покрытия и т. д.
Конструкция и технология постоянно совершенствуются, и хочется верить, что в ближайшее время мы сможем внедрить эту прогрессивную энергосберегающую технологию на большинстве стройплощадок Украины
Авторы:
Ковальчук Ю.Г. - академик Академии строительства Украины, президент;
Крупченко О.О. - технический директор концерна "Силикат", г. Киев
Источник:
Киев, "Строительные материалы и изделия", №3 (31), 2005г., 16 февраля
|