В древние времена человек использовал пластичные глинистые грунты для изготовления кирпича-сырца, используя их свойство приобретать твердость при сушке. Также строили глиняные постройки из строительного композита – самана, состоящего из смеси глины, воды, песка и резаной соломы. Саман служил доступным и эффективным материалом для постройки жилья. Дом получался относительно комфортным для проживания, обладая высокой огнестойкостью и достаточной долговечностью при соблюдении соответствующей защиты от попадания дождя и влаги. На сегодня, кроме традиционного саманного строительства, энтузиасты зеленого строительства строят экодома с использованием самана в виде кирпича-сырца и блоков [1–3]. Для них характерны невысокая прочность и низкая водостойкость. Поэтому для улучшения физико-механических свойств глинистых материалов применяют различные вяжущие вещества, пластификаторы, фибры и др. [4–6]. В технологии изготовления изделий из них применяют, кроме классического пластического формования, полусухое прессование, гиперпрессование, 3D-печать и др. [7–9]. Однако основным способом получения высококачественных изделий на основе глинистых грунтов является энергоемкое производство керамического кирпича [10].

В суровых климатических условиях Якутии керамический кирпич в г. Якутске начали производить малыми партиями с начала XVIII в. для строительства церковных и административных зданий. До сегодняшнего дня сохранились и восстановлены с десяток кирпичных зданий, что показывает их достаточную долговечность, несмотря на невысокое качество обожженного кирпича. В сельских условиях кирпич-сырец, в единичных случаях обожженный кирпич, производили в районных центрах, в основном для кладки печей.

Идея использования низкокачественных глинистых грунтов в создании безобжиговых композитов и на сегодня остается актуальной в малоэтажном и индивидуальном строительстве из-за доступности сырья и малой энергоемкости производства.

Цель исследования – изучение возможности использования низкокачественных глинистых грунтов Якутии в производстве безобжиговых строительных композитов.

Материалы и методы исследования

Экспериментальные работы выполнены с использованием стандартных методов на приборах и оборудовании Инженерно-технического института СВФУ.

В геологическом строении Усть-Алданского месторождения легкоплавких глин принимают участие отложения среднеплейстоценового возраста, представленные суглинками желто-бурыми, лессовидными, с частыми включениями растительных остатков, с тонкими прослоями тонкозернистого песка. Месторождение ранее было изучено только на стадии поисковых работ, в ходе которых было выполнено технологическое испытание сырья месторождения. Результаты испытаний показали, что сырье месторождения низкого качества пригодно только для производства керамического кирпича марки 50 [11]. Зерновой состав суглинков следующий, % мас.: фракции более 0,05 мм – 39,3; от 0,05 до 0,005 мм – 47,3; менее 0,005 мм – 13,4.

Химический состав суглинков, % мас.: SiO2 – 58,16–59,58; Fe2O3 – 4,95–6,11; Al2O3 + TiO2 – 15,97–17,21; CaO – 3,08–4,92; MgO – 2,74–3,71; п.п.п. – 7,87–8,88.

Инженерно-геологические изыскания c участием автора проводились на различном расстоянии от с. Борогонцы – районного центра Усть-Алданского района. Работы проводились проходкой шурфов, описанием выработок, отбором проб точечным методом и визуальным описанием площадок с привязкой их к ближайшим поселкам и обозначены на карте Республики Саха (Якутия).

Проба 1 отобрана на аласовой котловине термокарстового происхождения в 2 км от райцентра, западнее трассы Борогонцы – Соттинцы. Шурф сечением 1,25 м2. Суглинок серый, талый, с мелкими растительными остатками. Отбор пробы на глубине 0,8 м.

Проба 2 – в 7 км от трассы Борогонцы – Соттинцы, в 1 км к югу от участка Харанга Тордо, вблизи оз. Мюрю. Шурф сечением 1,25 м2, глубиной 0,7 м. Суглинок темно-серый, талый, с большим количеством растительных остатков.

Проба 3 – участок Куранах Алаас в 3,5 км южнее с. Ус-Кюель, маленький, термокарстового происхождения, имеется озеро с очень чистой прозрачной водой. В пределах аласа пройдено 3 шурфа с глубиной 0,7–0,85 м в крест простирания, сечение выработок 1,25 м2. После вскрытия растительного слоя мощностью 0,2 м ниже следуют темно-коричневые суглинки, с глубиной переходящие в темно-серые, очень плотные, талые.

Проба 4 – в 0,8 км западнее с. Бэрийэ на местности Танара Хайа. Пройдены 2 шурфа с сечением 1,25 м2 и глубиной 0,8 м. Почвенно-растительный слой – 0,2 м с остатками и корнями травянистых растений, ниже – суглинки темно-серые, талые, плотные.

Таблица 1

Свойства глинистых грунтов

Проба 5 – в с. Кыллай пройдена скважина ручным комплектом бурения диаметром 89 мм, глубиной 1,0 м. Суглинки темно-бурые, заторфованные, с растительными остатками. Свойства глинистых грунтов приведены в табл. 1.

Лучшие показатели по пластичности имеют глинистые грунты из точек 1 и 2, которые могут быть пригодны для изготовления глиносырцового композита. В качестве органического наполнителя взяты древесные опилки.

Результаты исследования и их обсуждение

Приготовление смеси грунта естественной влажности и наполнителя из древесных опилок производили в стационарном бетоносмесителе с добавлением соответствующего количества воды. Изготовление образцов производили в металлических формах размерами 150×150×150 см способом механического уплотнения. В процессе лабораторных и построечных испытаний установлены оптимальные составы глиносырцовых смесей с наполнителем из древесных опилок (табл. 2 и 3).

Таблица 2

Состав глиносырцовой смеси для устройства стены и пола

Таблица 3

Состав глиносырцовой смеси для устройства совмещенной кровли

Определены состав и свойства глиносырцового композита для изготовления блоков (табл. 4).

Таблица 4

Состав и свойства глиносырцового композита

Наибольшей прочностью обладают стеновые блоки с содержанием наполнителя в 5 % по массе. Для заполнения самонесущей стены в деревянно-каркасном строительстве был рекомендован глиносырцовый композит плотностью 800 кг/м3, имеющий коэффициент теплопроводности в сухом состоянии 0,18 Вт/(м×К).

Составы глиносырцового композита были использованы в деревянно-каркасном строительстве индивидуального дома с совмещенной кровлей. Натурные наблюдения за тепловлажностным режимом жилого дома в зимний период показали следующее:

1) температура воздуха в жилых комнатах в среднем составила 23°С, что вполне удовлетворяет нормативным требованиям;

2) относительная влажность внутри здания составила 24–64 %, что в среднем не превышает 50 %, что соответствует нормативным требованиям для жилых помещений;

3) температура поверхности деревянного пола – 14,5–16,8°С.

4) фактический коэффициент теплопроводности слоев глиносырцового композита с наполнителем из древесных опилок составил 0,33–0,36 Вт/(м×К), что близко к проектному значению.

5) фактическое сопротивление теплопередаче стеновых конструкций составило 0,92–0,96 (м2 ×К)/Вт, что примерно в 1,5 раза меньше требуемого (Rтреб. = 1,48 (м2 ×К)/Вт). Главной причиной невысокого уровня показателя тепловой защиты стеновой конструкции является высокая влажность глиносырцового композита в первый год эксплуатации.

В рамках продолжения НИР на базе сезонного кирпичного завода была выпущена опытная партия глиносырцового кирпича с наполнителем из древесных опилок в 5 % по массе объемом в 90 тыс. шт. (табл. 5).

Таблица 5

Свойства глиносырцового композита-кирпича пластического формования

Таблица 6

Тепловлажностный режим жилого дома из глиносырцового композита

Таблица 7

Состав и свойства грунтоцементного композита

Морозостойкость составила не ниже 15 циклов, определенная методом термоциклирования при абсолютной влажности воздуха не выше 90 %.

Результаты натурных наблюдений, проведенных на втором году эксплуатации, показали, что тепло-влажностный режим жилых помещений и теплофизические показатели использованных строительных композитов соответствуют расчетным значениям (табл. 6).

Таким образом, по результатам лабораторных и натурных исследований (табл. 1–6) установлено, что глиносырцовый композит с наполнителем из природных органических материалов (например, древесные опилки, солома, мох и др.) может конкурировать с легкими бетонами по многим строительно-эксплуатационным характеристикам, кроме низкой водостойкости и размокаемости.

Для повышения водостойкости и прочности глиносырцовых композитов, как обычно, в исходную смесь дополнительно вводят вяжущее вещества, в большинстве случаев портландцемент. В таком случае получается грунтоцементный композит – грунтобетон.

Образцы грунтобетона изготовлены способом полусухого прессования 10 МПа на основе глинистого грунта 3 по табл. 2. В качестве минерального наполнителя использовали речной песок и супесь, органического наполнителя – древесные опилки и торф, вяжущего вещества – портландцемент марки ЦЕМ I 32,5Б – 10 % мас. (табл. 7).

Как видно из табл. 7, с введением органического наполнителя прочностные показатели уменьшаются практически в 2 раза. Однако коэффициент теплопроводности уменьшается на 25,7 %, что указывает на повышение теплозащитных качеств грунтоцементного композита. Поэтому для выпуска опытной партии стеновых блоков был выбран состав с наполнителем из древесных опилок со следующими характеристиками: плотность в сухом состоянии – 1300–1550 кг/м3, марка по прочности на сжатие – 20–25, водопоглощение – 16–23 %, коэффициент теплопроводности – 0,35–0,45 Вт/(м×К), морозостойкость – 15–25.

Таблица 8

Свойства прессованного грунтоцементного композита

Примечание: * – в числителе – прочность на сжатие, в знаменателе – водопоглощение.

Таким образом, оптимальный вариант получения грунтоцементных композитов с заданными свойствами заключается в применении технологии полусухого прессования с одновременной стабилизацией материала введением вяжущих веществ. Испытания производились с составом грунтоцемента: суглинок 70 % + речной песок 30 % + портландцемент ЦЕМ I 32,5Б (3, 5 и 8 % к грунтовой смеси). Получены зависимости прочности на сжатие и водопоглощения грунтоцементного композита от усилия прессования и начальной влажности грунтовой смеси W0 (табл. 8).

Заключение

Из вышеприведенных результатов лабораторных и натурных исследований установлено, что в отдаленных от промышленных центров районов Севера и Арктики вполне приемлемым вариантов может быть организация малых производств строительных композитов на основе доступных глинистых грунтов с различными наполнителями из природного и техногенного сырья. Следует отметить, что технология создания строительных композитов из глинистых грунтов требует доработки для конкретного района строительства с учетом наличия сырья и энергетических ресурсов.