авторефераты диссертаций www.x-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

СУМИН АРТЕМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПЕНОГАЗОБЕТОН

С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ МОДИФИКАТОРОМ

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Белгород – 2015

Официальные оппоненты

2

Работа выполнена в Федеральном государственном

бюджетном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель

Строкова Валерия Валерьевна

доктор технических наук, профессор

Пыкин Алексей Алексеевич

Ведущая организация

– ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная

автомобильно-дорожная академия»

Защита состоится «2» октября 2015 года в 1100 часов на заседании диссер-

тационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологи-

ческом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Ко-

стюкова, 46, ауд. 242. Телефон для справок 8(4722) 55-95-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте

http://gos_att.bstu.ru/dis .

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печа-

тью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Ко-

пию отзыва просим прислать на e-mail: gos-att-bgtu@mail.ru.

Автореферат разослан «7» августа 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Г.А. Смоляго

Белов Владимир Владимирович

доктор технических наук, профессор,

проректор по инновационному развитию,

заведующий кафедрой производства

строительных изделий и конструкций,

ФГБОУ ВПО «Тверской государственный

технический университет»

кандидат технических наук,

доцент кафедры производства

строительных конструкций,

ФГБОУ ВПО «Брянский государственный

инженерно-технологический университет»

-

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Увеличение нормативных показателей теплозащитных

свойств ограждающих конструкций зданий определяет высокий объем ис-

пользования ячеистых бетонов при строительстве. Их широкая номенклатура

позволяет достичь современных требований по теплоизоляции в совокупно-

сти с необходимыми прочностными характеристиками. При этом с позиции

экономической эффективности целесообразным является использование не-

автоклавных ячеистых композитов.

Наряду с высокими теплоизоляционными свойствами, неавтоклавный

ячеистый бетон, как правило, характеризуется невысокой прочностью карка-

са и стабильностью пористой структуры композита. Указанные недостатки

возможно компенсировать, с одной стороны, использованием активных мо-

дифицирующих компонентов, в том числе наноструктурированных, способ-

ных повысить характеристики несущей матрицы композита, а с другой –

комплексной поризацией системы, что обеспечит формирование гетеропори-

стой ячеистой структуры бетона с пониженной плотностью.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образова-

ния и науки РФ в рамках государственного задания; Российского фонда фун-

даментальных исследований, а также в рамках реализации программы стра-

тегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

Степень разработанности темы. В настоящее время существует значи-

тельное количество работ, посвященных повышению эффективности произ-

водства и применения неавтоклавных ячеистых бетонов, главной целью ко-

торых является улучшение эксплуатационных свойств композитов при со-

хранении их теплозащитной способности. Для повышения прочностных

свойств ячеистого бетона рядом авторов предложено использование компо-

зиционных вяжущих – тонкомолотые цементы (ТМЦ) или вяжущее низкой

водопотребности (ВНВ), а также модифицированных вяжущих, в составе

которых присутствуют активные компоненты различного состава и генезиса.

Улучшение теплоизоляционных свойств ячеистых композитов связано с

применением современных эффективных пено- и газообразующих агентов, а

также с их комплексным (совместным) использованием.

В работах, выполненных ранее, обоснована целесообразность использо-

вания наноструктурированного модификатора (НМ) силикатного состава при

производстве материалов автоклавного твердения. Однако возможность его

использования в качестве модификатора матричной и пористой структур не-

автоклавных ячеистых пеногазобетонов на основе цемента в комплексе с ак-

тивированным алюминием не рассматривалась.

Цель и задачи работы. Разработка неавтоклавного пеногазобетона с ис-

пользованием наноструктурированного модификатора силикатного состава и

комплексного порообразователя, содержащего активированный алюминий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– обоснование возможности использования наноструктурированного мо-

дификатора силикатного состава как стабилизатора структуры ячеистобетон-

4

ных смесей;

анализ

особенностей

фазо-

и

структурообразования,

физико-

механических свойств модифицированного вяжущего;

– изучение свойств активированного алюминия как газообразующего

компонента с позиции комплексной поризации смеси, а также особенностей

формирования макро- и микроструктуры материала;

– разработка составов и изучение свойств пеногазобетона неавтоклавного

твердения с применением наноструктурированного модификатора и активи-

рованного алюминия;

– подготовка нормативных документов для реализации теоретических и

экспериментальных исследований. Промышленная апробация.

Научная новизна работы. Теоретически обоснована и экспериментально

подтверждена возможность использования наноструктурированного моди-

фикатора силикатного состава в качестве стабилизатора структуры пеногазо-

бетонной смеси. Адсорбция НМ на поверхности пузырьков в процессе полу-

чения пены приводит к возрастанию шероховатости их поверхности, запол-

нению и закупорке каналов между ними, следствием чего является

повышение устойчивости пенной структуры во времени и объеме. Это спо-

собствует увеличению вязкости пены и соответственно снижению явлений

синерезиса, вызывающих к осаждение пенного столба. Гомогенизация акти-

вированного алюминия в присутствии наноструктурированного модификато-

ра под действием ультразвука способствует интенсификации процессов рас-

пределения разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газо-

образователя, а также повышению стабильности системы (отсутствие

расслоения).

Установлен механизм влияния наноструктурированного модификатора

силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня,

заключающийся в выполнении одновременно роли активной пуццолановой

добавки – за счет присутствия коллоидного компонента и субмикронного

наполнителя – за счет полидисперсного состава. Кроме этого, активный кол-

лоидный кремнезем осуществляет силификацию C-S-H(I)-геля в цементном

камне, что приводит к формированию на его основе кристаллического гидро-

силиката кальция – суолунита и изменению морфоструктурного строения C-

S-H(I)-геля со сменой волокнистого облика на мелкочешуйчатый. Введение

наноструктурированного модификатора способствует оптимизации реотех-

нологических характеристик вяжущей системы; сокращению сроков схваты-

вания вяжущего; интенсификации процессов фазообразования и оптимиза-

ции микроструктуры цементирующего вещества, что обуславливает повыше-

ние активности и прогнозируемой прочности вяжущего.

Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазо-

бетона с учетом специфики активированного алюминия и наноструктуриро-

ванного модификатора. Высокое содержание активного алюминия, полидис-

персный гранулометрический состав и изометричная форма частиц газообра-

зователя обеспечивают интенсивное газовыделение с формированием

5

разноразмерных пор. Это способствует дополнительной поризации пенобе-

тонной смеси на макро- (поровое пространство) и на микроуровне (межпоро-

вое пространство) и приводит к формированию структуры с равномерной

полидисперсной пористостью. Замена части цемента на наноструктуриро-

ванный модификатор, имеющий более низкую плотность и выступающий в

качестве стабилизирующего компонента при формировании пеногазомассы,

обусловливает стойкость ячеистобетонной смеси, повышение ее пористости

и, как следствие, увеличение прироста объема ячеистобетонной смеси при

сохранении прочностных показателей бетона.

Теоретическая и практическая значимость работы. Предложены

принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с использо-

ванием наноструктурированного модификатора силикатного состава и ком-

плексной поризации, заключающиеся в оптимизации процессов формирова-

ния каркаса ячеистобетонной смеси, а также интенсификации фазо- и струк-

турообразования цементирующего вещества. Применение комплексной

поризации системы, реализованной за счет совместного использования син-

тетического пенообразователя и активированного алюминия АА-Т/7 в каче-

стве газообразователя, способствует формированию гетеропористой структу-

ры композита. НМ структурирует поровое пространство композита за счет

стабилизации пены и равномерного распределения газообразователя в объе-

ме смеси, а также обеспечивает формирование рационального состава ново-

образований за счет взаимодействия продуктов гидратации цемента с высо-

коактивной (коллоидной) фракцией модификатора. Все это в совокупности

обеспечивает получение ячеистых композитов с высокими теплоизоляцион-

ными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик.

Предложен состав модифицированного вяжущего с использованием НМ и

установлены закономерности его влияния на прогнозируемые показатели

марочной прочности и долговечности вяжущего.

Разработаны составы неавтоклавного пеногазобетона с использованием

активированного алюминия АА-Т/7 и наноструктурированного модификато-

ра силикатного состава, позволяющие получать изделия с марками по плот-

ности D400, D500; классом по прочности на сжатие B1; теплопроводностью

0,08 и 0,085 Вт/(м∙оС); паропроницаемостью 0,211 и 0,231 мг/(м∙ч∙Па); сорб-

ционной влажностью 7,1 и 7,5 %.

Предложена технология производства пеногазобетона неавтоклавного

твердения и изделий на его основе с учетом технологических особенностей

применения комплексной поризации и наноструктурированного модифика-

тора.

Методология и методы исследования. Методология построена на из-

вестной роли модифицирующих компонентов различного генезиса в качестве

составляющих формовочной смеси материалов на основе цемента и согласу-

ется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссерта-

ции. Идея базируется на фундаментальных исследованиях влияния состава,

степени дисперсности и активности кремнеземистых компонентов на физико-

6

механические характеристики строительных композитов различного назна-

чения. Исследования по изучению состава и свойств сырьевых и синтезиро-

ванных материалов осуществляли с использованием общепринятых физико-

химических и физико-механических методов. Особенности микро- и макро-

структуры сырьевых компонентов, вяжущих веществ и пеногазобетона на их

основе изучали, применяя оптическую и электронную микроскопию. Для

выявления особенностей качественного и количественного состава продуктов

гидратации модифицированного вяжущего проводили полнопрофильный

рентгенофазовый анализ, основанный на методе Ритвельда.

Положения, выносимые на защиту:

– теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение воз-

можности использования НМ силикатного состава в качестве стабилизатора

структуры пеногазобетонной смеси;

- принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с ис-

пользованием НМ силикатного состава и комплексной поризации;

– характер влияния наноструктурированного модификатора силикатного

состава на фазо- и структурообразование цементного камня;

- расчет прогнозируемой прочности модифицированного вяжущего;

– механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобетона с

учетом специфики НМ и активированного алюминия;

– рациональные составы и технология производства пеногазобетона неав-

токлавного твердения с применением наноструктурированного модификато-

ра и активированного алюминия АА-Т/7;

– результаты внедрения.

Достоверность полученных результатов подтверждается проведением

экспериментальных исследований на высоком техническом уровне с доста-

точной воспроизводимостью, реализованных за счет применения современ-

ной аппаратурной базы и стандартизированных методов исследований. При

проведении испытаний использовалось поверенное и аттестованное оборудо-

вание. Установлена сходимость теоретических исследований и эксперимен-

тальных данных. Результаты, полученные в работе, согласуются с опублико-

ванными экспериментальными данными других авторов.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертацион-

ной работы были представлены на: Всероссийской научно-практической

конференции: «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном ком-

плексе региона» (Саратов, 2012 г.); Международной научно-технической

конференции молодых ученых «Исследования и инновации в вузе» (Белго-

род, 2012 г.); Международных научно-практических конференциях «Строи-

тельный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (Улан-Удэ, 2012

г.); «Актуальные вопросы образования, науки и техники» (Донецк, 2013 г.);

«Наукоемкие технологии и инновации» (Белгород, 2014 г.); «Современные

строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, 2015 г.);

«Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2015 г.).

Внедрение результатов исследований. Апробация разработанных соста-

7

вов и технологии в промышленных условиях осуществлялась на ООО «Эко-

стройматериалы» (Белгородская область). Подписаны протоколы о намере-

ниях по внедрению результатов исследований: с ЗАО «Белгородский

цемент» – по разработке модифицированного вяжущего; с ООО «Экоэнерго-

тех» – по получению газообразующей суспензии с наноструктурированным

модификатором.

Для внедрения результатов исследования разработаны следующие техни-

ческие документы:

– Рекомендации по использованию наноструктурированного модификато-

ра при производстве неавтоклавного пеногазобетона;

– Рекомендации по использованию активированного алюминия АА-Т/7 в

качестве газообразователя при получении пеногазобетона;

– Стандарт организации СТО 02066339-021-2014 «Неавтоклавный пенога-

зобетон с использованием наноструктурированного модификатора. Техниче-

ские условия»;

– Технологический регламент на производство неавтоклавного пеногазо-

бетона с наноструктурированным модификатором.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспери-

ментальных исследований и промышленной апробации используются в

учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 -

Строительство профилей «Производство строительных материалов, изделий

и конструкций», «Наносистемы и трансфер технологий», магистров по

направлению 08.04.01 - Строительство профиля подготовки «Наносистемы в

строительном материаловедении».

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положе-

ния диссертационной работы, изложены в 13 научных публикациях, в том

числе в трех статьях в российских рецензируемых изданиях. На состав и тех-

нологию пеногазобетона неавтоклавного твердения получено свидетельство

о регистрации ноу-хау № 20150005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти

глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184

страницах машинописного текста, включающего 36 таблиц, 57 рисунков и

фотографий, списка литературы из 227 наименований, 13 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Неавтоклавные ячеистые бетоны, обладая рядом достоинств, таких, как

низкая теплопроводность, простота изготовления и низкая себестоимость,

имеют существенный недостаток, а именно низкие прочностные показатели.

Повышение эффективности ячеистых материалов (увеличение прочности,

снижение усадки и плотности) возможно путем оптимизации характеристик

цементной матрицы и поровой структуры.

В связи с этим рабочей гипотезой работы являлась возможность исполь-

зования наноструктурированного вяжущего силикатного состава в качестве

структуроформирующего компонента ячеистобетонной смеси, а также акти-

8

вированного алюминия в составе комплексного порообразователя при полу-

чении неавтоклавного пеногазобетона.

В качестве сырьевых компонентов для получения пеногазобетона исполь-

зовали: песок Корочанского месторождения для получения наноструктури-

рованного модификатора, цемент ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Белго-

родский цемент», пенообразователь «Пеностром» производства ООО «Щит»

и активированный алюминий АА–Т/7 производства ООО «Экоэнерготех».

Наноструктурированный модификатор, полученный по технологии мок-

рого постадийного помола, имеет удельную поверхность 830 м2/кг, отличает-

ся полидисперсностью с пиками размеров частиц в диапазоне 5, 15–20, 50–70

мкм, наличием до 10 % частиц наноразмерного уровня 10–50 нм1, высокой

активностью по отношению к гидроксиду кальция, согласно количеству ак-

тивных бренстедовских кислотных центров – 30,6 мг∙экв/г.

Для проверки рабочей гипотезы в части модифицирующего влияния НМ

на процессы структурообразования цемента были изучены свойства модифи-

цированного цементного вяжущего в зависимости от его состава. Модифика-

тор, предварительно размешанный в воде «затворения», вводился в систему

взамен части цемента от 0 до 40 с шагом 10 %. Эффективность НМ оценива-

лась по совокупности свойств вяжущего с его использованием.

Замена части цемента на

НМ приводит к снижению

начальной вязкости цемент-

ного теста. Этот эффект уве-

личивается с ростом дозиров-

ки НМ с 15 до 70 %. По кри-

терию

эффективности

добавок (ГОСТ 24211–2008)

оптимальным выбран состав с

содержанием НМ в количе-

стве 20 %, который способ-

ствует повышению прочности

более чем на 30 %. На осно-

вании

проведенных

ком-

плексных исследований пока-

зано, что данное количество

модификатора

способствует

Рисунок 1 – Реограммы вяжущего

в зависимости от содержания

наноструктурированного модификатора

снижению нормальной густоты модифицированного вяжущего; приводит к

сокращению сроков схватывания вяжущего по сравнению с исходным це-

ментом в 1,9 раза (таблица 1) при нормальных условиях твердения и в

2 раза – при температуре 40 °С (температура обусловлена газовыделением);

1

работе в качестве модификатора, было доказано в работах, выполненных ранее.

Наличие нанодисперсного компонента в наноструктурированном вяжущем, используемом в

Количество

Нормальная

НМ, %

густота

0

0,26

10

0,24

20

0,22

30

0,19

40

0,17

Начало

Начало схватывания

схватывания, мин

при 40 °C, мин

В/Ц

В/Т

0,26

0,26

0,28

0,25

0,24

0,34

0,23

0,38

0,22

150

14

88

8

80

7

78

7

76

6

0,3

9

снижая начальную вязкость вяжущего, практически не меняет качественно и

количественно его реологические характеристики (рисунок 1), сохраняя тик-

сотропный тип течения. Данные эффекты являются предпосылками улучше-

ния процесса поризации системы и повышения стабильности пеногазомассы.

Анализ кинетики набора прочности цементного камня свидетельствует о том,

что в первые 7 сут набор прочности происходит наиболее интенсивно, далее

прирост прочности постепенно снижается, достигая максимума на 28-е сут твер-

дения. В случае модифицированного вяжущего уже в 1-е сут твердения наблю-

дается превышение прочности в 1,7 раза по сравнению с контрольным составом.

Далее разница несколько сокращается и к 7-м сут составляет 1,3 раза. В резуль-

тате к 28-м сут прирост прочности составляет около 30 % для прочности на сжа-

тие и 20 % – для прочности на изгиб (рисунок 2). Активность модифицированно-

го вяжущего превышает активность исходного цемента на 14 %.

Таблица 1 – Свойства модифицированного вяжущего

Это

связано,

в

первую

очередь,

с

уплотнением структу-

ры вяжущего за счет

формирования

плот-

нейшей

упаковки

из

крупных частиц цемен-

та и микродисперсной

фракции НМ. Кроме

того,

высокоактивная

коллоидная

составля-

модификатора

ющая

выступает в роли пуц-

цоланового компонен-

та, способствуя пер-

Рисунок 2. – Прочностные свойства модифицированного

вяжущего в зависимости от состава

вичному взаимодействию кремнезема модификатора и портландита, форми-

рующегося при гидратации цемента.

С применением полулогарифмического закона и двух уравнений теории

переноса был произведен расчет кинетики твердения модифицированного

вяжущего. Установлено, что использование 20 % НМ в 2 раза увеличивает

начальную скорость твердения и на 18 % снижает коэффициент торможения

гидратации. На основании рассчитанных коэффициентов переноса были

10

спрогнозированы прочностные характеристики на длительный период. Ак-

тивный набор прочности происходит в первые 50 сут. При достижении возраста

200 сут наблюдается затухание процессов, что длится вплоть до 400 сут. К концу

расчетного срока твердения предел прочности при сжатии модифицированного

вяжущего на 25 % больше аналогичного показателя для цементного вяжущего.

Для

рассмотрения

особенностей

фазообразования

в

системе

«цемент – SiO2» были изучены образцы модельного состава с 20 % кремнезем-

ного компонента, в качестве которого использовался центрифугат НМ - кол-

лоидная фаза с небольшой примесью кристаллического кварца. На основании

полнопрофильных расчетов дифракционных данных (рисунок 3) можно сде-

лать вывод о том, что уменьшение интенсивности отражения портландита на

поздних сроках твердения экспериментального состава, по сравнению с кон-

трольным, связано с силификацией C-S-H(I)-геля в цементном камне актив-

ным коллоидным кремнеземом, что приводит к формированию на его основе

кристаллического гидросиликата кальция – суолунита и изменению мор-

фоструктурного строения C-S-H(I)-геля со сменой волокнистого облика на

мелкочешуйчатый.

Анализ микроструктуры си-

стемы «цемент – НМ» (рисунок

4) показал, что в 1-е сут в кон-

трольных образцах преоблада-

ют нитевидные кристаллы, а в

модифицированном цементном

камне – ромбоэдрические. К 3-

м сут наблюдается появление в

модифицированных

образцах

уплощенных таблитчатых но-

вообразований. К 7-м сут вся

масса контрольных образцов

сложена

хлопьеподобными

скоплениями, а в модифициро-

ванном вяжущем присутствуют

скопления

новообразованного

вещества с характерными мор-

фоструктурами. После 14 сут

твердения морфология новооб-

Рисунок 3. – Сравнительная диаграмма профи-

лей отражения (001) портландита контрольного

и экспериментального составов

разований существенных изменений не претерпевает.

Таким образом, установлен характер влияния наноструктурированного

модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цемент-

ного камня, заключающийся в том, что полидисперсный модификатор с

наличием высокоактивной коллоидной составляющей, с одной стороны, вы-

ступает в роли пуццоланового компонента, а с другой – субмикронного

наполнителя. Это способствует улучшению реотехнологических характери-

стик вяжущей системы, интенсификации процессов фазообразования и опти-

11

мизации микроструктуры цементирующего вещества, что приводит к сокра-

щению сроков схватывания вяжущего, повышению его активности и прогно-

зируемой прочности.

Следующим этапом исследования стала разработка неавтоклавного тепло-

изоляционного пеногазобетона с использованием модифицированного вяжу-

щего, синтетического пенообразователя «Пеностром» и нетрадиционного для

строительной отрасли газообразующего агента – активированного алюминия

АА-Т/7.

а

в

д

Контрольный состав

г

е

Модифицированное вяжущее

Рисунок 4. – Морфология новообразований при твердении вяжущих в течение:

а, б – 1-х сут; в, г – 3-х сут; д, е – 7-ми сут

Анализ свойств основных компонентов, осуществляющих комплексную

поризацию раствора, показал следующее. При кратности пены, равной 15,

стойкость пены в поризуемом растворе составила 0,85, что можно считать

удовлетворительным. Наиболее интенсивно явление синерезиса проявляется

в первые 40 мин (рисунок 5). Наблюдается плавное сокращение объема пены.

При выделении менее 50 % воды пена сохраняется вплоть до 70 мин, однако

стойкость составляет 80 мин, что соответствует началу схватывания модифи-

цированного вяжущего. В связи с этим была изучена возможность предвари-

тельной стабилизация пенной массы модификатором для улучшения качества

изделий на ее основе.

При введении НМ в пенную систему с водой «затворения», протекают

процессы адсорбции твердых частиц на поверхности пенных пузырьков, а

б

Рисунок 6. – Кинетика газовыделения

газообразователей

Для получения суспензии алюминиевого газообразователя по результатам

экспериментального определения времени достижения необходимой мелко-

дисперсной и равномерной структуры принят ультразвуковой способ. Дока-

зана эффективность гомогенизации активированного алюминия в присут-

ствии наноструктурированного модификатора за счет ультразвукового воз-

действия, что приводит к интенсификации процессов распределения

разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газобразователя, а

также к повышению стабильности системы (отсутствие расслоения).

Для разработки составов пеногазобетона была использована расчетная

методика, в которой кремнеземный компонент НМ не учитывался. Получен-

ный состав компонентов, дозируемых по сухому веществу, был скорректиро-

ван с учетом содержания 20 % НМ и влажности суспензии 18 %.

Далее с использованием математического планирования эксперимента

Рисунок 5. – Устойчивость пены по

объему (1, 2) и синерезису (3, 4)

с НМ (2, 4) и без (1, 3)

12

также заполнение пространства между ними. В результате, с одной стороны,

увеличивается шероховатость стенок пузырьков, а с другой – происходит

сужение каналов Плато-Гиббса и их закупорка. Следствием указанных явле-

ний становится рост дисперсности пены при увеличении количества пузырь-

ков на единицу площади, что приводит к повышению ее стабильности во

времени и объеме: стойкость во времени возрастает в 1,5 раза (рисунок 5), а

осаждения пенной системы практически не происходит.

Анализ кинетики газовыделения (рисунок 6) показал, что общий объем га-

за, сформированного в результате реакции активного вещества и щелочи, в

случае АА-Т/7 в 1,8 раза превышает аналогичный показатель для алюминие-

вой пасты. Активированный алюминий отличается более высокой скоростью

персностью, высокой удельной поверхностью (865 м2/кг) и более мелким

размером частиц (средний размер 2,8 мкм) АА-Т/7, что в 3 раза выше и ниже

соответствующих показателей пасты, а также сопряжено со сферической

формой частиц, в отличие от пластинчатых частиц пасты.

реакции и бо́льшим объемом выделяющегося газа. Это связано с полидис-

481

D400 D500

0,54

Сорбционная влажность при влаж-

ности воздуха, %

Сорбционная влажность при влаж-

ности воздуха по ГОСТ 25485–89, %

75

95

75

8

13

разрабатывались рациональные составы бетона. Оценку оптимизации

свойств производили на основании прочности на сжатие, плотности и коэф-

фициента теплопроводности пеногазобетона. В качестве варьируемых пара-

метров выступало количество газо- и пенообразователей.

На основании полученных данных были выбраны составы, отвечающие

требованиям нормативных документов (в частности, ГОСТ 25485–89, табли-

ца 2). Пеногазобетон марки D400 отличается существенным запасом прочно-

сти. Так, нижней границей прочности для таких изделий является класс В0,5.

Предлагаемые изделия превышают указанное значение в 2 раза. В случае

пеногазобетона марки D500 класс по прочности равен аналогичному показа-

телю для ячеистого композита марки D400. Тем не менее, значение реальной

прочности композита превышает класс по прочности в 1,5 раза.

51,83 51,76

12,96 12,94

Цемент

Наноструктурированное вяжущие

Активированный алюминий

Пенообразователь

В/Т

Плотность, кг/м3

Марка по плотности

Предел прочности при сжатии, МПа

Класс по прочности

Теплопроводность, Вт/(м∙оС)

Теплопроводность по ГОСТ 25485–89

не более, Вт/(м∙оС)

Паропроницаемость, мг/(м∙ч∙Па)

Паропроницаемость по ГОСТ 25485–89,

мг/(м∙ч∙Па)

0,18

0,05

0,27

0,09

структуриру-

422

1,19

0,08

1,58

B1

B1

0,085

0,1

0,12

0,231 0,211

0,23

0,2

7,1

7,5

10,5

11,3

8

95

12

12

использованием комплекса поризующих агентов, что приводит к формирова-

нию гетеропористой структуры композита (рисунок 7) за счет присутствия

крупных газовых пор, окруженных мелкодисперсными пенопорами, и

уменьшения толщин межпоровых перегородок между газо- пенопорами. С

другой стороны, это связано с заменой части цемента на наноструктуриро-

ванный модификатор, характеризующийся меньшей плотностью, что способ-

ствует снижению средней плотности матричной структуры, т.е. межпоровой

перегородки.

Использование ком-

плексной

поризации

ячеистобетонной смеси

в совокупности с вве-

дением активного мо-

дифицирующего

ком-

понента,

ющего все элементы

формовочной

смеси

(пену, суспензию газо-

образователя,

цемент-

ную матрицу) способ-

ствует существенному

увеличению

прироста

объема готовой ячеи-

стобетонной смеси (на

30 %) и, как следствие,

снижению

плотности

готовых изделий.

Снижение

плотно-

сти изделий обуслов-

лено, с одной стороны,

Таблица 2 – Составы и свойства пеногазобетона

с использованием НМ

№ образца

1

2

14

в

г

а

б

Рисунок 7. – Макроструктура ячеистых композитов

в зависимости от способа поризации системы:

а – газобетон на алюминиевой пасте; б – газобетон на активированном алюминии;

в – пенобетон; г – пеногазобетон с АА–Т/7

Таким образом, определены рациональные составы неавтоклавного пено-

газобетона с использованием активированного алюминия АА–Т/7 и нано-

структурированного модификатора силикатного состава, позволяющие полу-

чать изделия плотностью 422 и 481 кг/м3 (марками по плотности D400,

D500); пределом прочности при сжатии 1,19 и 1,58 МПа (классом по прочно-

сти на сжатие B1); теплопроводностью 0,08 и 0,085 Вт/(м∙°С); паропроницае-

мостью 0,231 и 0,211 мг/(м∙ч∙Па); сорбционной влажностью 7,1 и 7,5 %.

Предложена технологическая схема производства изделий из пеногазобе-

тона с НМ, в основе которой использована классическая технология получе-

ния пенобетона неавтоклавного твердения по пенобаротехнологии.

Обоснована экономическая эффективность производства теплоизоляци-

онного пеногазобетона. Введение наноструктурированного модификатора

позволяет снизить себестоимость за счет уменьшения доли цемента в ячеи-

стом бетоне; комплексная поризация системы приводит к увеличению объема

выхода ячеистобетонной смеси. Использование комбинированного способа

поризации позволяет получать ячеистый бетон разных марок по плотности с

более низкими коэффициентами теплопроводности по сравнению с пенобе-

тоном той же плотности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложены принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твер-

дения с использованием наноструктурированного модификатора силикатного

состава и комплексной поризации, заключающиеся в оптимизации процессов

формирования каркаса ячеистобетонной смеси, а также интенсификации фа-

зо- и структурообразования цементирующего вещества. Применение ком-

плексной поризации системы, реализованной за счет совместного использо-

вания синтетического пенообразователя и активированного алюминия

АА–Т/7 в качестве газообразователя, способствует формированию гетеропо-

ристой структуры композита. Наноструктурированный модификатор струк-

турирует поровое пространство композита за счет стабилизации пены и рав-

номерного распределения газообразователя в объеме смеси, а также обеспе-

чивает формирование рационального состава новообразований за счет

взаимодействия продуктов гидратации цемента с высокоактивной (коллоид-

15

ной) фракцией модификатора. Все это в совокупности обеспечивает получе-

ние ячеистых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при

сохранении необходимых прочностных характеристик.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность

использования наноструктурированного модификатора силикатного состава

в качестве стабилизатора структуры пеногазобетонной смеси. Адсорбция НМ

на поверхности пузырьков в процессе получения пены приводит к повыше-

нию устойчивости пенной структуры во времени и объеме, следствием чего

является увеличение шероховатости их поверхности, заполнение и закупорка

каналов между ними. Это приводит к увеличению вязкости пены, и, как след-

ствие, к снижению явлений синерезиса, вызывающих осаждение пенного

столба. Гомогенизация активированного алюминия в присутствии нано-

структурированного модификатора под действием ультразвука способствует

интенсификации процессов распределения разноразмерных дисперсных ком-

понентов модификатора и газообразователя, а также повышению стабильно-

сти системы (отсутствие расслоения).

Установлен механизм влияния наноструктурированного модификатора

силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня,

заключающийся в выполнении роли активной пуццолановой добавки – за

счет присутствия коллоидного компонента; субмикронного наполнителя – за

счет полидисперсного состава. Кроме этого, активный коллоидный кремне-

зем осуществляет силификацию C-S-H(I) - геля в цементном камне, что при-

водит к формированию на его основе кристаллического гидросиликата каль-

ция – суолунита и изменению морфоструктурного строения C-S-H(I) - геля со

сменой волокнистого облика на мелкочешуйчатый. Введение наноструктури-

рованного модификатора способствует оптимизации реотехнологических

характеристик вяжущей системы; сокращению сроков схватывания вяжуще-

го; интенсификации процессов фазообразования и оптимизации микрострук-

туры цементирующего вещества, что приводит к повышению активности и

прогнозируемой прочности вяжущего.

Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазо-

бетона с учетом специфики активированного алюминия и наноструктуриро-

ванного модификатора. Высокое содержание активного алюминия, полидис-

персный гранулометрический состав и изометричная форма частиц газообра-

зователя обеспечивают интенсивное газовыделение с формированием

разноразмерных пор. Это способствует дополнительной поризации пенобе-

тонной смеси на макро- (поровое пространство) и микроуровне (межпоровое

пространство), формируя равномерную полидисперсную пористость струк-

туры. Замена части цемента на наноструктурированный модификатор, име-

ющий более низкую плотность и выступающий в качестве стабилизирующе-

го компонента при формировании пеногазомассы, обусловливает стойкость

ячеистобетонной смеси, повышение ее пористости и, как следствие, увеличе-

ние прироста объема ячеистобетонной смеси при сохранении прочностных

показателей бетона.

16

Предложен состав модифицированного вяжущего с использованием НМ и

установлены закономерности его влияния на прогнозируемые показатели

марочной прочности и долговечности вяжущего.

Разработаны составы неавтоклавного пеногазобетона с использованием

активированного алюминия АА–Т/7 и наноструктурированного модификато-

ра силикатного состава, позволяющие получать изделия с марками по плот-

ности D400, D500; классом по прочности на сжатие B1; теплопроводностью

0,08 и 0,085 Вт/(м∙оС); паропроницаемостью 0,211 и 0,231 мг/(м∙ч∙Па); сорб-

ционной влажностью 7,1 и 7,5 %.

Предложена технология производства пеногазобетона неавтоклавного

твердения и изделий на его основе с учетом технологических особенностей

применения комплексной поризации и наноструктурированного модификато-

ра. Для внедрения результатов исследования был разработан ряд нормативных

документов, в том числе рекомендации по использованию добавки и активиро-

ванного алюминия, технологический регламент на производство пеногазобето-

на и стандарт организации, отражающий технические характеристики готовых

изделий. Внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс

осуществляется при чтении лекций, проведении лабораторных и практических

занятий для бакалавров и магистров по направлению «Строительство».

Производство пеногазобетона, а также апробация разработанных составов

производились как на базе опытно-промышленного участка БГТУ им.

В.Г. Шухова – Опытно-промышленного цеха наноструктурированных компо-

зиционных материалов, так и в условиях реального производства – выпуск

опытной партии на базе ООО «Экостройматериалы». Экономическая эффек-

тивность производства и применения исследуемых в рамках работы материа-

лов неавтоклавного твердения обеспечивается за счет применения нано-

структурированного модификатора и комплексного способа поризации си-

стемы, что позволяет экономить цементное вяжущее, а также получать

изделия с оптимальными технико-эксплуатационными характеристиками.

Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы.

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационного ис-

следования могут быть рекомендованы для расширенного внедрения на

предприятиях по производству изделий из неавтоклавного ячеистого бетона в

различных регионах РФ с учетом специфики сырьевой базы; при подготовке

бакалавров и магистров направлений «Строительство», «Материаловедение и

технология материалов».

С позиций анализа фазовых и структурных трансформаций в системе

«цемент – наноструктурированный модификатор» работу целесообразно

продолжить в направлении изучения возможности использования модифика-

тора алюмосиликатного состава на основе сырья различного генезиса.

В связи с существенным запасом прочности изделий имеются предпосыл-

ки для изучения возможности получения пеногазобетонов низких марок по

плотности, что позволит существенно расширить области использования из-

делий.

17

Целесообразно

проанализировать поведение и изменение физико-

механических характеристик, а также фазово-структурные преобразования

изделий в процессе эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В российских рецензируемых научных изданиях

1. Бухало, А.Б. Сравнительная оценка газообразователей для производ-

ства ячеистого бетона / А.Б. Бухало, В.В. Нелюбова, В.В. Строкова, А.В. Су-

мин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 2. – С. 42–45.

(ИФ – 0,362)

2. Павленко, Н.В. Модифицированное вяжущее с использованием нано-

кристаллических компонентов для ячеистых композитов / Н.В. Павленко,

А.Б. Бухало, В.В. Строкова, В.В. Нелюбова, А.В. Сумин // Строительные

материалы – 2013. – № 2. – С. 20–24. (ИФ – 0,39)

3. Строкова, В.В. Модифицированное вяжущее с использованием нано-

структурированного минерального компонента / В.В. Строкова, А.В. Сумин,

В.В. Нелюбова, Н.А. Шаповалов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2015. –

№ 3. – С. 36–39. (ИФ – 0,362)

В сборниках трудов конференций

4. Сумин, А.В. Создание неокомпозитов с использованием наноразмер-

ных компонентов / А.В. Сумин // Cб. докл. XVII Международной конферен-

ции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Москва: Изд-во РГУИТП,

2010. – С. 39–43.

5. Сумин, А.В. Некоторые аспекты модифицирования ячеистых бетонов

/ А.В. Сумин, А.Б. Бухало // Исследования и инновации в вузе: сб. докл.

Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, Белгород, 2012 г. – Белгород:

Изд-во БГТУ, 2012. – Ч. 1. – С. 638–640.

6. Бухало, А.Б. Анализ размолоспособности цемента с применением со-

временных модификаторов / А.Б. Бухало, В.В. Строкова, А.В. Сумин // Ре-

сурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб.

науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф., Саратов, 2012 г. –

Саратов: Изд-во СГТУ, 2012. – С. 42–44.

7. Бухало, А.Б. Разработка композиционного вяжущего с применением

современных модификаторов / А.Б. Бухало, А.В. Сумин, В.В. Строкова

// Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: Материа-

лы Междунар. науч.-практ. конф., Улан-Удэ, 11–14 июля 2012 г. – Улан-Удэ:

Изд-во ВСГУТУ, 2012. – С. 166–167.

8. Сумин, А.В. Оценка эффективности газообразователей для пеногазобе-

тона / А.В. Сумин, А.Б. Бухало, В.В. Нелюбова // Будущее технической

науки: сб. материалов Междунар. Молодеж. науч.-техн. конф., Нижний Нов-

город, материалов 24 мая 2013 г. – Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексе-

ева, 2013 г. – С. 304–305.

18

9. Бухало, А.Б. Анализ дисперсности алюминиевых порошков для полу-

чения комплексного порообразователя // А.Б. Бухало, А.В. Сумин // Акту-

альные вопросы образования, науки и техники: Материалы девятой Между-

нар. науч.-практ. конф., Донецк, 15–17 нояб. 2013 г. – Донецк: ООО «Цифро-

вая типография», 2013. – Т. 2. – С. 98–102.

10. Сумин, А.В. Современные способы получения ячеистых бетонов с вы-

сокими физико-механическими характеристиками / А.В. Сумин // Перспек-

тивные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте: сб.

науч. тр. SWORLD, Одесса, 2013 г. – Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2013. – Т. 35.

– С. 90–92.

11. Сумин, А.В. К вопросу об эффективности наноструктурированного мо-

дификатора при получении композиционного вяжущего / А.В. Сумин, А.Б.

Бухало, В.В. Нелюбова // Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых

БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2014 г. [электронный ресурс] – Белгород,

2014. – Режим доступа: www.bstu.ru

12. Сумин, А.В. Некоторые особенности композиционного вяжущего с ис-

пользованием

наноструктурированного

модификатора

/

А.В.

Сумин,

А.Б. Бухало, М.Ю. Дмитриев // Наукоемкие технологии и инновации: сб.

докл. Юбилейн. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГТУ

им. В. Г. Шухова, Белгород, 9–10 марта 2014 г. – Белгород: Изд-во БГТУ,

2014. – Ч. 3. – С. 360–363.

13. Сумин, А.В. Анализ современных газообразующих агентов / А.В. Су-

мин // Современные строительные материалы, технологии и конструкции:

материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию ФГБОУ

ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова», Грозный, 24–26 марта 2015

г. – Грозный: ФГУП «Издательско-полиграфический комплекс «Грозненский

рабочий», 2015. – Т. 1. – С. 603–607.

Полученные объекты интеллектуальной собственности

14. Ноу-хау № 20150005. Пеногазобетон с использованием нанодисперс-

ного поризатора / В.В. Строкова, А.В. Сумин, В.В. Нелюбова: Федеральное

государственное бюджетное образовательное учреждении высшего профес-

сионального образования Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. Дата

регистр. 15.04.2015. Срок охраны: 5 лет.

19

СУМИН АРТЕМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПЕНОГАЗОБЕТОН

С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ МОДИФИКАТОРОМ

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 31.07.15. Формат 60×84/16.

Усл. печ. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в Белгородском государственном

технологическом университете им. В.Г. Шухова.

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46



Похожие работы:

«ШИРИЯЗДАНОВ Рустэм Рафисович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ПУТЕМ СОГЛАСОВАНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК С УСЛОВИЯМИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Казань 2015 2 Работа выполнена на кафедре тракторы, автомобили и энергетические установки Федерального государственного бюджетного...»

«Маслова Марина Валентиновна ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТИТАНСОДЕРЖАЩИХ СОРБЕНТОВ ИЗ СФЕНОВОГО КОНЦЕНТРАТА Специальность 05.17.01 Технология неорганических веществ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Апатиты 2015 Научный консультант: Официальные оппоненты: Ведущая организация: Герасимова Лидия Георгиевна, доктор технических наук, ИХТРЭМС КНЦ РАН, зав. сектором Блохин Александр Андреевич, доктор технических...»





 
© 2015 www.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.