Изготовление строительных изделий из земли и не только

Изделия из грунта являются местным материалом и ввиду большого разнообразия грунтов, большая часть которых пригодна для земляного строительства, не регламентируются государственными стандартами. В подавляющем большинстве из грунта изготовляют мелкоштучные изделия: камни, блоки, плиты и кирпичи. Эти изделия предназначены в основном для кладки стен зданий. Для краткости, в дальнейшем изложении, такие изделия будем называть грунтоблоками.

Производимые в настоящее время у нас и за рубежом грунтоблоки отличаются разнообразными габаритными размерами от 220x105x60 мм до 390x190x90 мм. При этом в отечественной и иностранной литературе рекомендуется производить грунтоблоки размерами большими, чем размеры стандартных кирпичей. Это вызвано двумя главными причинами: увеличение производительности работы каменщиков по сооружению стен и снижение количества строительного раствора, используемого для кладки блоков. На вы-бор размеров, производимых грунтоблоков, влияют чаше всего возможности имеющегося формовочного оборудования.

Общие свойства грунтоблоков представлены в таблице:

Свойства	Показатели
Прочность на сжатие, МПа	2,0-40,0
Плотность, г/см2	1,3-2,0
Коэффициент тепловодности, Вт/м, °C	0,5-0,7
Линейная усадка	0,02-0,2

Прочность на сжатие грунтоблоков, то есть давление, которое они могут выдержать в стене не разрушаясь, а также и другие их свойства зависят от природы грунта, вида использованного стабилизатора и, что особенно важно, от способа их изготовления.

Грунтоблоки, изготовляемые без стабилизаторов, являются неводостойкими блоками. Такие блоки обладают значительной прочностью в сухом состоянии и применяются, в основном, для одноэтажных жилых зданий, а так же для подсобных хозяйственных построек.

Блоки, изготовляемые из грунтов с добавкой небольшого количества стабилизаторов, кроме определённой прочности приобретают свойство неразмываемости. Такие неразмываемые блоки, погружённые в воду на 3/4 высоты и оставленные в ней на 24 часа, не должны иметь трещин, набухания, оплывания и других видимых разрушений. Неразмываемые блоки можно применять для несущих и каркасных стен жилых одно- и двухэтажных зданий и одно этажных хозяйственных построек.

Грунтоблоки, производимые с добавкой оптимального количества стабилизатора, помимо прочности, обладают определённой степенью водостойкости (после нескольких циклов поочерёдной насыщения водой и последующего высушивания на образцах не должно появляться трещин и расслоений). При этом у таких водостойких блоков коэффициент размягчения, то есть отношение прочности в насыщенном водой состоянии к прочности в сухом состоянии, не менее 0,6. Водостойкие блоки можно применять для не сущих стен жилых одно- и двухэтажных домов, административных зданий, культовых сооружения, а также для построек хозяйственного назначения.

В основном, для кладки стен различных построек изготовляют рядовые грунтоблоки. Для особых целей могут производиться специальные блоки:

• блоки, имеющие одну или несколько поверхностей или частей с большим количеством стабилизатора, чем остальная часть блока;
• блоки с вделанной облицовочной плиткой, имеющие одну или более поверхностей, украшенных специальной облицовочной плиткой;
• блоки с обработанной поверхностью, имеющие одну или несколько поверхностей, специально покрытых графическими или декоративными элементами или обработанных химикатами;
• блоки фасонные с одной или более фасонными поверхностями.

Многочисленные исследования советских и зарубежных учёных показали, что прочность и долговечность грунтоблоков увеличиваются с ростом его плотности, а плотность и прочность грунтоблоков увеличивается с ростом уплотняющей нагрузки (давления). Однако это увеличение происходит до определённого предела, после которого плотность и прочность остаются более или менее постоянными. При этом максимальные прочности и уплотняющие нагрузки для грунтов различного минералогического состава не одинаковы.

Так как качество грунтоблоков при прочих равных условиях зависит от степени уплотнения, то центральной операцией в изготовлении блоков является формование. Формованием достигается, во-первых, получение блока предельно высокой плотности, от которой зависит прочность блока, и, во-вторых, заданных размеров. Как правило, при формовании блока его длина и ширина фиксируются стенками формы, а толщина - обрабатывающим инструментом.

Колебания в количестве и качестве грунтосмеси могут приводить к изменнию плотности и прочности произведённых блоков, а плотность влияет на долговечность. Стена, сложенная из блоков с разной плотностью, будет со временем неравномерно разрушаться от эрозии. Поэтому очень важно применять такие технологии формования грунтоблоков, которые обеспечивают производство однородных блоков. Также важно, что бы эти технологии обеспечивали получение блоков одинаковых размеров, что в свою очередь способствует последующей качественной укладке грунтоблоков в стены.

Заметим, что традиционно применяемые технологии формования с использованием различных ручных или механических прессов и трамбовок не в полной мере отвечают этим требованиям.

Веками сложилось представление, что чем с большей силой сожмешь в форме материал, тем плотнее получишь блок. Руководствуясь этим представлением, создавались и создаются мощные устройства — пресса, способные развивать давление при сжатии в несколько десятков МПа, а есть пресса, так называемого гиперпрессования, развивающие 100 МПа, то есть на один сантиметр поверхности формуемого блока приходится усилие в 1000 кг. Под-стать этим гигантским усилиям такие устройства имеют габариты, массу и стоимость.

В окружающем мире при внимательном рассмотрении можно найти примеры, когда материалы, подобные грунту, и сам грунт приобретают предельно плотную структуру без значительных усилий.

Один из наиболее ярких примеров - это образование плотной дорожки вдоль береговой линии, называемой заплеском. На протяжении тысяч километров песчаных пляжей без какого-либо давления ежесекундно образуется плотная структура из песка, ила, частей раковин. Это само по себе удивительное явление обладает исключительно интересным свойством самоорганизации. Ленивое движение прибойной волны, набегающей и сбегающей с берега воды, приводит к образованию плотной структуры не зависимо от характеристик грунта, образующего берег (скальные образования в расчёт не берём). Помимо плотной структуры образуется и определённая всем знакомая геометрия верхней поверхности заплеска. Причём любое её повреждение «залечивается» в считанные мгновения. И опять это происходит само собой.

Миллионы частичек песка по воле волн занимают наиболее устойчивое компактное положение, образуя между собой максимальное число контактов. И всё это происходит без приложения больших давлений к слагаемому берег материалу. Подтверждением этому служит опыт каждого.

В технологии зонного нагнетания можно достичь максимальной степени плотности без больших давлений, что коренным образом меняет традиционные представления о процессах уплотнения.

Эффект текучего клина - это образование локальной плотной текучей зоны коррелированно движущихся частиц сыпучей среды.

Образование упомянутой зоны происходит в результате поддержания потока из постоянно вдавливаемых в предварительно образованный слой сыпучего материала последующих порций этого же материала посредством твёрдой поверхности нагнетательного инструмента.

Основное свойство упомянутого эффекта заключается в том, что плотность материала в зоне и её геометрические размеры остаются неизменными, несмотря на непрекращающееся вдавливание в зону новых порций материала. При этом вновь вдавливаемые порции вытесняют из зоны такой же объём материала, какой занимают сами, что приводит к постоянному обновлению или, иначе, течению материала в ней.

При прекращении вдавливания порций материала эффект текучего клина исчезает, но, благодаря особенным свойствам сыпучих сред, достигнутая плотность материала сохраняется. (Уникальность поведения сыпучих сред основана на сочетании в них свойств, присущих твёрдым, жидким и газообразным телам.)

Легко заметить, что воспроизвести эффект текучего клина довольно просто. Главное соблюсти условия открытости процесса и поддерживать поток сыпучей среды. Эта простота открыла путь к созданию регулируемого и управляемого процесса движения частиц среды в ходе формования изделий, а сам процесс формования сделала легко управляемым и контролируемым.

При воспроизведении эффекта текучего клина в технологических целях, нагнетание уплотняемого материала производится в зону малого объёма, определяемую размерами нагнетающего инструмента, рабочего органа. Поэтому процесс, вызывающий эффект текучего клина, происходит только в ограниченной зоне, примыкающей к поверхности контактирования рабочего органа с формуемым материалом. Отсюда и название технологии - технология зонного нагнетания.

Технология зонного нагнетания — это одна из базовых технологий, применимых во многих областях промышленности. В первую очередь - в промышленности строительных материалов, а также в дорожном строительстве, в порошковой металлургии, в производстве огнеупоров, в литейном производстве и ряде других производств, где требуется получить плотные структуры из сыпучих сред.

Эффективность применения технологии зонного нагнетания в пе-речисленных областях основывается на замечательных её свойствах.

Получение высокой, предельной для конкретных материалов и условий формования плотности было освещено выше. Очень примечательно, что в технологии зонного нагнетания это достигается при минимальном (на один-два порядка меньшем, чем при прессовании аналогичного материала) усилии. Помимо этого при формовании не требуется предварительное дозирование формуемого материала. Весьма интересным и важным является возможность контролировать качество уплотнения формуемого материала непосредственно в ходе изготовления изделия.

В технологии зонного нагнетания подача, распределение, уплотнение формуемого материала и отделка верхней поверхности осуществляется единым действием, названным, как и сама технология, зонным нагнетанием. В виду этой особенности, для осуществления технологии требуются специальные устройства — нагнетатели сыпучих сред, конструкция которых может быть весьма разнообразной. Каждая конкретная конструкция нагнетателей разрабатывается с учётом особенностей уплотняемого материала, формы и размеров изделия, производительности и ряда других факторов.

Стабильно высокое качество изделий в технологии зонного нагнетания обеспечивается одновременным достижением точности формуемых изделий и предельной плотности их структуры. Для достижения этого необходимо соблюдать условия образования текучей уплотнённой локальной зоны, то есть поддерживать эффект текучего клина, на протяжении всего процесса. Для этого необходимо придерживаться определённых правил проведения формовок, которые позволяют соблюдать требуемые условия. Эти правила являются технологическим секретом или "ноу-хау".

Первый случай, когда длина изделия много больше ширины нагнетателя. В процессе формования таких изделий нагнетание сыпучего материала в форму производят путём непрерывной подачи грунта под движущиеся рабочие поверхности нагнетателя слоем, превышающим толщину формуемого изделия, и одновременно перемещают нагнетатель относительно формы.

Скорость поступательного перемещения нагнетателя относительно формы выбирают и поддерживают в зависимости от скорости выдавливания сыпучего материала из-под нагнетательной поверхности в сторону не заполненной части формы. При этом скорость поступательного перемещения нагнетателя не должна превышать скорости выдавливаемого сыпучего материала.

Чрезвычайно важно, чтобы выдавливание сыпучего материала из-под нагнетательной поверхности осуществлялось по всей высоте (толщине) формуемого изделия.

Если выдавливание слоя происходит неравномерно, то при выборе скорости перемещения формы принимают во внимание ту часть выдавливаемого слоя, которая имеет наименьшую скорость, что, выражается отставанием этого участка от остальной части сыпучего материала.

Такое отставание может быть обусловлено как конструкцией нагнетателя, так и неравномерной подачей материала в зону формования, которая может быть вызвана зависанием смеси или в раздаточном бункере или на нагнетающих элементах нагнетателя.

При сопоставимых размерах формуемого изделия с размерами нагнетателя правила следующие.

Нагнетание сыпучего материала осуществляют, как и в первом случае. А перемещение нагнетателя относительно формы производят после того, как установится выжимание нагнетаемого материала выше (за пределы) открытой стороны формы. Здесь следует заметить, что увидеть это выжимание, которое, как правило, идёт на встречу подаваемому в нагнетатель материалу, без определённого опыта затруднительно. Но в процессе работы навык приобретается быстро.

Сочетание перечисленных замечательных свойств технологии зонного нагнетания обусловило создание простых и надёжных формовочных устройств.

Развитием конструкции установок зонного нагнетания является установка для изготовления грунтоблоков РК 250. В ней сочетаются наиболее удачные технические решения, опробованные в вышеописанных конструкциях. Помимо обычного назначения установка РК 250 ориентирована на изготовление блоков в тяжёлых и экстремальных условиях ликвидации последствий стихийных бедствий, социальных катаклизмов и войн. Для этого установка имеет избыточный запас прочности, простое управление и повышенную надёжность.

Нагнетательное устройство включает в себя рабочий орган с решетчатым нагнетателем 7, компактный электромеханический привод рабочего органа 8, опорный элемент 9, бункер-течку 10 для подачи порошкообразного материала в зону нагнетания.

Форма посредством механизма передвижения может осуществлять челночное перемещение под нагнетателем. Каждая ячейка формы оснащена подъёмным дном с выталкивателем для немедленной распалубки отформованных блоков.

Стабилизирующее устройство установлено на основание с возможностью возвратно-поступательного движения поперёк перемещению формы, и приводится от нагнетателя. Стабилизирующее устройство имеет две заглаживающие подошвы, которые охватывают нагнетатель с двух сторон. С двух других сторон вертикальные стенки ограждают зону подачи формуемого материала и предотвращают его просыпание наружу.

Установка РК 250работает следующим образом.

В исходном состоянии форма располагается на основании в одном из крайних положений. При этом две ячейки формы находятся с наружной стороны стабилизирующего устройства с поднятыми в верхнее положение доньями, две другие ячейки с опушенными доньями располагаются внутри, причём крайняя из них находиться под нагнетателем.

Подготовленную должным образом грунтовую смесь или грунт подают в бункер-течку. Одновременно с этим включают привод рабочего органа. Грунт просыпается через качающийся нагнетатель и заполняет ячейку формы через её открытую сторону. При качании нагнетатель, периодически отдаляясь и приближаясь к открытой стороне формы, нагнетает в форму порции грунта, которые попадают под него. После того, как в ячейке под нагнетателем грунт достигнет максимальной плотности и начнёт вытесняться вверх через открытую сторону формы, включают привод передвижения формы. При этом продолжают подавать грунт в бункер-течку, следя за тем, чтобы в ней всё время был грунт. Установка спроектирована таким образом, что при этом условии, если нет зависания материала на решётке нагнетателя, автоматически соблюдаются условия образования под нагнетателем текучей уплотнённой локальной зоны, то есть условия поддержания эффекта текучего клина, на протяжении всего процесса формования. По мере прохождения формы под качающимся нагнетателем её ячейки заполняются уплотнённым грунтом и затем попадают под заглаживающую подошву стабилизирующего устройства, посредством которой осуществляется калибровка отформованных грунтоблоков. После выхода двух грунтоблоков из-под заглаживающей подошвы донья ячеек поднимаются вверх, производя распалубку блоков, и форма останавливается в крайнем положении. Оператор снимает распалубленные грунтоблоки с формы. Вслед за этим автоматически включается привод передвижения формы, и форма начинает двигаться в исходное положение. При этом процесс нагнетания грунта в форму продолжается. При достижении исходного положения происходит распалубка изготовленных блоков из двух других ячеек формы, и форма вновь останав-ливается. После съёма этих блоков вновь включается привод передвижения формы, и она перемещается в другое крайнее положение, в котором опять происходит распалубка и съём блоков, изготовленных в двух первых ячейках. И так продолжается пока длится процесс формовки блоков.

Установки зонного нагнетания обеспечивают высокое качество формовок по плотности и точности размеров без приспособлений для дозирования рыхлой массы в форму, контроля давления и размера формуемого изделия. На них полностью устраняются такие виды брака, как перепрессовка, защемление воздуха, упругое последействие.

При работе на установках зонного нагнетания не требуется никакой переналадки при переходе с одного материала на другой, например, от формования блоков из суглинков на формование блоков из бетонной смеси или арболита. Эксплуатировать и обслуживать эти установки могут рабочие невысокой квалификации ввиду простоты и надёжности конструкции установки. При работе установок зонного нагнетания отсутствует вибрация и сверхнормативный шум, износ формообразующих элементов минимален по сравнению с традиционным прессованием.

Рассмотренные установки позволяют формовать изделия из широкого спектра материалов и их композиций с высокой точностью геометрических размеров изготовляемых изделий.

Установки обладают малыми габаритами и массой, что позволяет транспортировать их на любом виде грузового транспорта и использовать небольшие производственные площади.

Из-за особенности конструкции установок исключаются подго-товительные работы перед запуском в эксплуатацию. Мощность приводов установок небольшая, что делает процесс формования мало энергоемким. Большая часть представленных установок может работать в ав-томатическом режиме.

Низкое энергопотребление, отсутствие вибраций и сверхнормативного шума, комфортные условия работы обслуживающего персонала, а также легкость управления делают эти установки экобезопасными. На установках зонного нагнетания РК 250 можно изготавливать крупноразмерные высококачественные грунтоблоки, которые обладают архитектурной выразительностью и привлекательным внешним видом.

В процессе изготовления грунтоблоков в форму можно вставлять различные фасонные элементы и получать блоки с декоративным эффектом для отделки здания.

Практика применения установок зонного нагнетания для грунтоблочного строительства подтверждает их высокую эффективность как при изготовлении стабилизированных грунтоблоков, так и грунтоблоков без стабилизирующей добавки.