автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Газобетон для монолитных ограждающих конструкций с вариатропной поровой структурой

На правах рукописи

БУЛАВИН Виктор Анатольевич

ГАЗОБЕТОН ДЛЯ МОНОЛИТНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С ВАРИАТРОПНОЙ ПОРОВОЙ СТРУКТУРОЙ

05.23.05. - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РОСТОВ-НА-ДОНУ 2004

Работа выполнена на кафедре Технологии вяжуших веществ бетонов и строительной керамики Ростовского государственного строительного университета

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент А.И. ШУЙСКИЙ

доктор технических наук, профессор Л.Р. МАИЛЯН

доктор технических наук, профессор АЛ. ЗУБЕХИН

кандидат технических наук, старший научный сотрудник А. К. СЫСОЕВ

Ведущая организация:

ОАО "Ростовский ПромстройШШпроект"

Защита диссертации состоится 27 января 2004г. в Ючас. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022 г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета

Автореферат разослан "27" декабря 2003 г.

25080 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Обеспечение термосопротивления ограждающих конструкций, улучшение конструкционных свойств материалов, удовлетворение потребности строительного комплекса в эффективных материалах - это важнейшие задачи отрасли в период наступающего строительного бума. Для этого необходимы технологии и материалы, которые обеспечивают сокращение материалоемкости, трудоемкости, энергоемкости и стоимости строительства, снижение массы зданий и сооружений без снижения эксплуатационных характеристик конструкций.

Этим требованиям отвечают конструкции из ячеистых бетонов. Ячеистые бетоны существенно отличаются от других стеновых материалов по энергозатратам на производство, а также по затратам на отопление зданий в период эксплуатации, так как они характеризуются более высокими показателями термосопротивления. Энергоемкость производства (с учетом расхода вяжущих и заполнителей) ячеистобетон-ных ограждающих конструкций по сравнению с керамзитобетонными конструкциями примерно в 2 раза ниже, энергозатраты при эксплуатации зданий - на 20% меньше. При возведении стен из ячеистого бетона трудозатраты составляют только треть в сравнении с кладкой стен из обычного кирпича. Теплопотери ячеистобетонной стены толщиной 50 см на 25% меньше, чем пустотелой кирпичной стены такой же толщины с внутренним изоляционным слоем.

В настоящее время в России из ячеистого бетона выпускаются стеновые панели, блоки, теплоизоляционные и звукоизоляционные плиты и др. Однако, доля этих изделий в общем, объеме бетона и железобетона невелика. По этому показателю наша страна уступает Швеции, где доля производства ячеистых бетонов составляет, около 70 %, а также Англии, Бельгии, Голландии, Германии, Дании, Канаде, Польше и др.

В связи с повышением требований СНиП П-3-79** "Строительная теплотехника" к термическому сопротивлению ограждающих конструкций требуемая толщина стен строящихся и реконструируемых зданий из легких бетонов на традиционных заполнителях значительно увеличена. Применяемые в настоящее время заполнители для бетонов по качественным характеристшЖГ.ййКЯ'ИТЛяЦгской эффек-

тивности не в полной мере отвечают современным требованиям. В этой связи, сегодня особая роль отводится ячеистому бетону, как наиболее эффективному материалу для ограждающих конструкций. Изготовление монолитных конструкций из ячеистого бетона, и особенно газобетона становится особенно актуальным.

Острой проблемой, связанной с монолитными газобетонными ограждающими конструкциями, является создание материала с переменной плотностью по сечению. Этот материал должен сочетать в себе прочность и несущую способность конструкционного материала с низкой теплопроводностью и высокой звукоизолирующей способностью теплоизоляционного бетона.

В настоящее время существуют монолитные стеновые конструкции типа «Сэндвич», которые состоят из различных материалов по сечению, выполняющих раздельно конструкционные и теплоизоляционные функции. Создание же монолитных конструкций с вариотнропной структурой, т.е. из одного и того же материала, но с переменной плотностью по сечению позволяет совмещать конструкционные и теплозвукоизоляционные функции и работать как единое целое, что является важнейшей технологической задачей.

При существующем дефиците эффективных наполнителей для бетонов необходимо использовать вторичные ресурсы промышленных предприятий, в частности отходы ТЭС, утилизация которых приведет к большому экономическому эффекту и благоприятным экологическим изменениям.

Рабочая гипотеза: создание газобетонных ограждающих конструкций обеспечивающих заданную несущую способность и высокие тепло и звукоизоляционные характеристики возможно за счет формирования вариатропной поровой структуры бетона путем:

- регулирования рецептурно-технологических факторов на стадии формования изделий;

- использования специальной опалубочной системы, обеспечивающей послойное формование изделий;

- разработки режимов формования монолитных конструкций, обеспечивающих слитность структуры и однородность бетона по высоте и ва-риатропность поровой структуры по толщине изделия;

- использования оборудования, обеспечивающего непрерывное формования массива газобетона, позволяющего оперативно управлять рецептур-но - технологическими факторами на стадии заливки смеси в опалубку.

Исходя из выдвинутой гипотезы сформулирована цель диссертационной работы:

- создание вариатропной поровой структуры газобетона для монолитных ограждающих конструкций, обеспечивающей требуемую несущую способность и высокое термосопротивление.

Для достижения поставленной цели в работе последовательно решены следующие задачи исследования:

- анализ существующих монолитных ограждающих конструкций и технологий их возведения;

- подбор и оптимизация состава газобетона различной плотности с использованием вторичных ресурсов ТЭС;

- разработка опалубочной системы обеспечивающей послойное формование различных по толщине и плотности слоев монолитных конструкций;

- разработка способа регулирования рецептурно - технологических факторов на стадии формования газобетонных изделий;

- разработка методики возведения конструкций из газобетона с вариатропной поровой структурой;

- исследование влияния рецептурно - технологических факторов и режимов формования монолитных ограждающих конструкций на процессы структуро-образования и свойства газобетона с вариатропной поровой структурой;

- разработка технологического оборудования для мобильного технологического комплекса по изготовлению газобетона с вариатропной поровой структурой;

- опытно-промышленная проверка результатов исследований;

- оценка экономической эффективности разработанных решений.

Научная новизна работы:

• научно обоснована и практически подтверждена возможность создания монолитных стеновых газобетонных конструкций с вариатропной поровой структурой в процессе их формования.

• разработан способ формования газобетонных ограждающих конструкций из разноплотных слоев обладающих слитной структурой за счет плавного изменения плотности газобетона в переходных контактных зонах.

• теоретически обоснованы режимы формования переходных контактных зон между разноплотными слоями газобетона.

• предложен эффективный способ приготовления, и заливки газобетонной смеси в опалубку, обеспечивающий непрерывность формования конструкций и возможность оперативно регулировать характеристики газобетонной смеси.

• разработана оригинальная опалубочная система, позволяющая возводить монолитные ограждающие конструкции из газобетона с переменной плотностью по сечению;

• разработан передвижной мобильный комплекс для возведения монолитных ограждающих газобетонных конструкций в условиях строительных площадок, на который получен патент Российской Федерации № 2161555 на изобретение;

Практическое значение работы.

На основании проведенных исследований разработана эффективная схема формования монолитных ограждающих конструкций вариатропной структуры. Разработана конструкция передвижного мобильного комплекса для формования монолитных ограждающих конструкций из газобетона переменной плотности по сечению в полевых условиях. Получен патент Российской Федерации на изобретение.

Разработаны рабочие составы конструкционно-теплоизоляционных бетонов рациональной структуры различного назначения в широком диапазоне свойств на основе золы-унос.

Эффективность разработанной технологии возведения ограждающих конструкций из газобетона подтверждена проведенными сравнительными теплотехническими расчетами конструкций из различных материалов. Достигнуто снижение материалоемкости и трудозатрат при возведении монолитных ограждающих конструкций путем совершенствования технологических процессов и использования вторичных ресурсов промышленных предприятий.

Результаты научных исследований внедрены в нормативный документ регионального значения - «Рекомендации по применению передвижного мобильного комплекса для изготовления газобетонов различной плотности» (Ростов-на-Дону, СевКавНИПИагропром, 2001 г.- 24 с).

Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе Ростовского государственного строительного университета и Кабардино-Балкарского государственного университета при чтении лекций специальных курсов для студентов технологических специальностей.

Достоверность результатов обеспечена использованием действующих государственных стандартов, нормативных документов и поверенного оборудования, методов математического планирования экспериментов с обеспечением доверительной вероятности 0,95 при погрешности не более 10 %, обработкой экспериментальных данных с использованием вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения, использованием комплекса современных физико-химических методов исследования (ДТА, электронной и оптической микроскопии).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 опубликованных работах, в том числе 1 патенте на изобретение. Материалы диссертации докладывались и получили одобрение:

• на международной научно - практической конференции по архитектуре, Ростов-на-Дону, 1997г.;

• на международных научно-практических конференциях "Строительство". Ростов-на-Дону, 1999,2001 и 2002г.г.;

• на ежегодных научно - технических конференциях Ростовского государственного строительного университета (1997-2002 г.г.) и Кабардино-Балкарского государственного университета (1999-2001 г.г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений и включает 145 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 24 таблицы и 223 наименования использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ состояния вопроса в области изготовления и применения монолитного конструкционно-теплоизоляционного бетона.

Применение в строительстве материалов с улучшенными теплозащитными свойствами при заданной прочности позволяет эффективно решить многие инженерные задачи, в частности снижения массы зданий, экономии топливно-энергетических ресурсов, обеспечения в помещениях нормального микроклимата.

При поиске проектных решений, обеспечивающих повышение эффективности строительства, разрабатываются два варианта - возведение монолитных малоэтажных зданий (до пяти этажей включительно) и возведение сборных многоэтажных зданий каркасно-панельного типа. Это особенно актуально для Юга России, так как по градостроительным планам его городов высотное строительство осуществляется в качестве градоформирующих точек, а большую часть составляет частная малоэтажная и одноэтажная застройка.

Наиболее эффективными, с точки зрения теплотехнических характеристик, являются стеновые конструкции с применением легких теплоизоляционных материалов, обладающие низким коэффициентом теплопроводности. К ним относятся: трехслойные керамзитобетонные панели с термовкладышами из минераловатных плит или пенополистирола, панели типа «сэндвич», ячеистые, в частности пено — газобетонные - блоки.

Рассматривая все теплоизоляционные материалы с точки зрения оптимизации теплофизических свойств, необходимо обратить внимание на макроструктуру ячеистых бетонов, в которых поры составляют 0,6-0,9 объема. Поризованные материалы,

представляющие собой структурный элемент из макропор (газовые ячейки) и меж-поровых перегородок, является плохим проводником тепла, а теплозащитные свойства тем выше, чем больше общая пористость.

Анализ монолитного домостроения, в частности монолитных ограждающих конструкций, принимающих на себя основные климатические воздействия, показал что:

- для создания эффективных монолитных ограждающих конструкций необходимо, использование материала, плотность которого изменялась бы по толщине ограждающей конструкции от более плотного в крайних слоях до существенно менее плотного в средних. При этом материал изделия должен быть во всех слоях одним и тем же;

- в качестве базового материала для монолитных ограждающих конструкций целесообразно использовать ячеистый бетон, являющейся наиболее эффективным материалом с плотностью, варьируемой в значительных пределах — от 200 до 900 кг/м3.

- в ячеистом бетоне в качестве наполнителя целесообразно использовать вторичное сырье и отходы промышленных производств, что позволит снизить себестоимость конструкций и решить экологические задачи;

- для создания монолитной ограждающей конструкции с переменной плотностью материала по сечению необходима разработка новых технологических решений, таких, как способ приготовления и заливки бетона в опалубку, конструкция специальной опалубочной системы, методика и режимы формования ячеистобетон-ных конструкций;

- для возведения ограждающих конструкций с переменной плотностью по сечению в условиях строительных площадок необходима разработка оригинального мобильного технологического комплекса.

Решение сформулированных проблем, позволит существенно повысить эффективность возведения монолитных ограждающих конструкций и откроет пути для расширенного внедрения их в практику малоэтажного промышленного и гражданского строительства.

Анализ видов ячеистого бетона, использованного для возведения монолитных конструкций позволил отдать предпочтение газобетону. Преимуществом газобетона является простота и технологичность всех стадий приготовления и формования, меньше в сравнении с пенобетоном усадочные деформации.

Особенно важно, для получения конструкций с переменной плотностью, то, что в процессе приготовления газобетонной смеси можно оперативно регулировать плотность бетона, изменяя дозировку компонентов.

Исходя из сказанного, газобетон выбран нами в качестве базового материала для устройства эффективных монолитных ограждающих конструкций с переменной плотностью.

Эффективность применения в ячеистых бетонах золы-унос обусловлена экономическими и экологическими параметрами. Очищаются значительные площади, на которых складируется зола, улучшается экологическая обстановка, так как не происходит загрязнение воды, зола является наиболее дешевым и эффективным местным заполнителем.

Исследованиями установлено, что одной из важнейших технологических задач является изготовление ограждающих конструкций с переменной плотностью по толщине из одного и того же материала, т.е. вариатропных конструкций.

Создание монолитных ограждающих конструкций с вариатропной структурой материалов является очень актуальной проблемой. Разработка способов их изготовления из газобетона является одной из важных задач настоящего исследования

Проведенный анализ современного состояния, перспектив применения и проблем формования монолитных ограждающих конструкций позволил сделать следующие основные выводы.

Практически не встречаются ограждающие конструкции, выполненные из одного материала, но с переменной плотностью по сечению.

В настоящее время существуют различные технологии формования монолитных ограждающих конструкций, в том числе из ячеистых бетонов, однако нет технологий изготовления конструкций с вариатропной поровой структурой материала.

Используемые в настоящее время конструкции опалубок не рассчитаны на возведение газобетонных монолитных стен с вариатропной ячеистой структурой.

Во второй главе приведены основные характеристики используемых сырьевых материалов, оборудования и методик исследования.

В исследованиях использовался бездобавочный портландцемент М500 по ГОСТ 10178-85 "Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия". Минералогический состав цемента: Сз8-62%; С28-17%; СзА-5%; С4АР-14%. Зола-уноса с электрофильтров Новочеркасской удовлетворяющая

требованиям ГОСТ 25818-91 "Золы-уноса тепловых электростанций для бетона. Технические условия". Для исследования структуры, состава и свойств сырьевых материалов и бетона использовались методы ДТА, электронная и оптическая микроскопия и т.д.

В третьей главе представлен анализ возможности приготовления и расчеты оптимальных составов и режимов приготовления газобетона с вариатроп-ной поровой структурой.

Предварительные исследования позволили сформулировать основные принципы формования вариатропной поровой структуры газобетона для монолитных ограждающих конструкций:

1. Конструкция должна состоять из 3-х слоев, каждый из которых должен выполнять определенные функции:

- наружный защитный слой из конструкционного газобетона;

- теплоизоляционный слой из газобетона;

- внутренний несущий слой из конструкционного газобетона.

2. Каждый слой должен состоять из газобетона однородной поровой структуры;

3. Структура газобетона в конструкции должна быть слитной и не должна иметь резких границ между слоями;

4. Переходные контактные зоны между различными слоями конструкции должны обеспечить плавный переход от плотной поровой структуры к поровой структуре обеспечивающей низкую плотность газобетона;

5. Ширина переходного контактного слоя должна быть оптимизирована исходя из условий отсутствия резких границ между слоями и обеспечения плавного перехода между разноплотными слоями.

Выявленные принципы определили задачи исследования.

В данной главе приведены результаты исследований по подбору рациональных составов газобетона различной плотности и методики регулирования свойств газобетона на стадии формования.

На основании полученных результатов определен диапазон варьирования рецептурных факторов, соответствующий заданным значениям технических параметров, характерных для конструкционно-теплоизоляционных бетонов.

Для изучения совместного влияния этих факторов и оптимизации составов бетона проведены три двухфакторных эксперимента второго порядка по плану B-D12, который по величине определителя информационной матрицы практически совпадает с D- оптимальным планом.

Таблица 1

Значения исходных данных, план эксперимента для газобетона плотность 800/400 кг/м3

Технологические факторы Код Уровни варьирования Интервалы варьирования ДХ

нижний -1 основной 0 верхний +1

В/Г отношение, отн. х, 0,45/0,5 0,5/0,55 0,55/0,6 0,05/0,05

Золо-цементное отношение, отн. х2 0,4/0,4 0,7/0,6 1/0,8 0,3/0,2

Количество алюминиевой пудры кг/м3 Х3 00,3/0,5 0,4/0,7 0,5/0,9 0,1/0,2

На основании результатов экспериментов построены изолинии и изоповерх-ности свойств газобетона при варьировании технологических факторов (рис. 1) и получены математические модели:

- для плотности р=400 кг/м3

К.'сж.=399,872-6,733-х1+5,148-х1-х1-9,500-х2-хЗ р'=1,206+0.261 -х1 +0.156-х1 -х1+0.024 x2 x3

- для плотности р=800 кг/м3

Я «= 819.963-33.767-х2-х2+9.937-х1 -хЗ р"=3.543-0.463-х1-х1-1.203-х2-х2+1.387-х3-х3

Полученные математические модели использованы при подборе и регулировании составов газобетона при формовании конструкций с вариатропной поровой структурой.

Рис.1. Номограммы "состав - свойство" газобетона.

В работе определены требования к формованию монолитных газобетонных конструкций:

- отсеки опалубки на этапе формования должны отделятся друг от друга тонкой перегородкой, способной выдерживать перепады давления в периоды заливки смеси в опалубку и начала вспучивания;

- для обеспечения равномерности формования многослойной конструкции конечная высота вспучивающегося слоя смеси в каждом отсеке должна быть одинаковой;

- для исключения резких границ между разноплотными слоями, в процессе вспучивания газобетона перегородки между слоями должны подниматься, обеспечивая их частичное смешивание с оборудованием переходной контактной зоны.;

- скорость подъема перегородки в опалубке должна соответствовать кинетики процессов газовыделения и вспучивания теплоизоляционного слоя газобетона в отсеках;

- поровая структура газобетона в переходной контактной зоне должна обеспечивать плавный переход от бетона одной плотности к бетону другой плотности без резких границ, при этом ширина зоны должна быть минимальной;

- газобетон в переходной контактной зоне должен обладать высокой стойкостью к воздействию температурных и влажностных градиентов и низкой усадочной деформативностью.

Формирование поровой структуры переходной контактной зоны разноплот-ных слоев газобетона сводится к оптимизации времени подъема перегородок между отсеками опалубки и процессов образования газобетонной смеси в этих слоях.

Экспериментальными исследованиями установлено, что возможны две схемы подъема перегородок: равномерная и цикличная.

Время начала подъема перегородок должно соответствовать времени начала интенсивного вспучивания (рис. 2)

При схеме подъема перегородок, скорость подъема должна быть равной скорости вспучивания теплоизоляционного слоя конструкции.

При такой схеме подъема значительно уменьшается влияние пристенных эффектов на процесс вспучивания смеси и повышается коэффициент вспучивания на 8-12 % (табл. 2).

Таблица 2

Влияние схемы подъема перегородки на коэффициент вспучивания газобетона в опалубке

Значения коэффициентов вспучива-

№№ Схема вспучивания смеси ния к. , отн.

Для теплоизоляционного Для конструкционного

1 В отдельных отсеках 2,6 1,3

2 Сплавным подъемом перегородки 3,0 1,3

3 С цикличным подъемом перегородки 2,8 1,4

Результаты экспериментов показали, что при схеме с цикличным подъемом перегородок целесообразным является следующий режим формования конструкций:" - предварительная выдержка смеси в течении индукционного периода вспучивания теплоизоляционного отсека (см. рис. 2)

НА

Тивд ' Тк

10 20 30 40 50

Время вспучивания смеси, мин

Рис. 2. Зависимость высоты подъема от времени вспучивания смеси

- подъем перегородок на высоту

- каждый следующий подъем перегородок осуществляется через промежуток времени т, = г* . При этом высота подъема перегородок определяется по форму- последний подъем перегородок осуществляется исходя из условия, что перегородки должны остаться в газобетонной массиве на глубине 4-6 см.

Приведенные исследования показали, что независимо от схемы подъема перегородок, формование следующего по высоте слоя газобетона следует осуществлять только после выдерживания предыдущего слоя в течении определенного времени.

Исследованиями установлено, что рациональное время заливки в опалубку газобетонной смеси следующего по высоте слоя составляет -время начала схватывания газобетонной смеси.

В главе приведены результаты исследования переходной контактной зоны, позволяющей осуществлять плавный переход от одной плотности к другой. Предложены методики приготовления вариатропного газобетона.

Физико-механические характеристики газобетона изготовленного различными способами приведена в таб. 3.

Таблица 3

Физико-механические характеристики газобетона

Характер поровой структуры газобетона Физико-механические характеристики газобетона

Я«.,МПа р, т/м1 И, цикл Усадка, мм/м

Однородная структура газобетона. 2,5 600 25 0,4

Теплоизоляционный слой 1 400 25 0,099

Конструкционно-теплоизоляционный слой 3,5 800 25 0,23

Переходная контактная зона

- при плавном подъеме сердечника 2,1 600 25 0,4

- при ступенчатом подъеме 1,9 600 25 0,45

Исследования циклического воздействия температур от 0 до 90 С показала, что в течении 300 циклов трещинообразования и снижения прочности газобетона в контактной зоне не наблюдалось.

В четвертой главе на основании анализа существующих в научной литературе данных и практики возведения зданий и сооружений из газобетона показано, что для повышения эффективности строительных конструкций зданий и сооружений необходим принципиально новый подход. Он заключается в создании новой комплексной технологии, включающей следующие основные ее элементы:

- эффективный способ приготовления газобетонной смеси с варьируемыми в широких пределах плотностью и прочностью в сочетании с рациональными способами транспортирования ее и заливки в опалубочную систему;

- метод создания конструкций из газобетона с переменной плотностью по сечению, рационально сочетающих обеспечение требований по несущей способности и термическому сопротивлению;

- компактный мобильный технологический комплекс по возведению монолитных ограждающих конструкций из газобетона с вариатропной поровой структурой.

Этот подход реализуется последовательно в данной главе. Разработана технологическая схема приготовления газозолобетона (рис. 3). Процесс приготовления газобетонной смеси включает следующие основные операции:

1. Заполнение нагнетательных камер сухими компонентами - вяжущим (цементом) и наполнителем (зола - унос).

2. Перемешивание компонентов и пневмотранспортирование сухой смеси к месту заливки.

3. Приготовление алюминиевой суспензии в суспензаторе и подача ее в расходную емкость жидких компонентов.

4. Подача жидких компонентов к месту заливки насосом.

5. Смешивание сухой смеси и жидких компонентов - затворение в специальной форсунке турбулентным способом.

6. Заливка выходящей из форсунки консолидированной газобетонной смеси в опалубку с помощью специального гасителя струи смеси.

В предложенной схеме применен способ приготовления консолидированной газобетонной смеси, отличающийся от традиционных: раздельным транспортированием сухих и жидких компонентов (с помощью пневмонагнетателя и насоса соответственно), благодаря чему не происходит забивание трубопроводов; смешиванием в специальной форсунке сухих и жидких компонентов непосредственно перед заливкой; непрерывностью приготовления газобетонной смеси, что позволяет избежать расслоения ее при заливке; оперативным регулированием конечной плотности газобетона при заливке смеси в опалубку.

Разработана новая оригинальная разборно-переставная крупно-щитовая опалубочная система для производства трехслойных ограждающих конструкций из монолитного газобетона, позволяющая изменять плотность материала по слоям — от более плотных на гранях конструкции к менее плотным в середине ее сечения (рис.4)

Рис. 4 Основной вид опалубки Опалубка включает в себя щиты наружных и внутренних панелей 1 с установленными на щитах стойками жесткости с шагом до 500 мм. Внутри конструкции

опалубки передвигаются разделительные щиты 3, щиты панелей поддерживаются подкосами 4 с помощью схваток 5. В верхней части наружных щитов установлены подмости 6. Для устойчивости щитов наружных и внутренних панелей установлены фиксаторы 7. Подвижные разделительные щиты 3 перемещаются внутри конструкции опалубки за счет траверсы 8 с помощью электродвигателя 9, установленного на площадке кронштейна 10.

Очевидные достоинства предложенного технологического комплекса, объединяющего новый способ приготовления консолидированной газобетонной смеси, оригинальную опалубочную систему и конструкцию мобильной установки- для производства газобетонных конструкций переменной плотности по сечению в единое целое.

Пятая глава посвящена практическому использованию результатов исследований.

Выполненные технико-экономические расчеты показали, что стоимость ограждающих конструкций зданий из газобетона с вариатропной поровой структурой на 26% меньше, чем из керамзитобетона. Эффективность применения предлагаемого материала обеспечивается за счет снижения стоимости изделий, значительного уменьшения необходимой толщины стен, снижения веса стеновых конструкций, сокращения трудозатрат и транспортных расходов при строительстве, экономии тепловой энергии при эксплуатации зданий и сооружений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен к использованию в монолитных ограждающих конструкциях газобетон с вариатропнй поровой структурой позволяющий повысить теплотехнические показатели при обеспечении заданной несущей способности и минимальной толщины ограждающей конструкции.

2. Применен новый способ приготовления консолидированной газобетонной смеси, отличающийся от традиционных:раздельным транспортированием сухих и жидких компонентов (с помощью пневмонагнетателя и насоса соответственно), смешиванием компонентов в специальной форсунке непосредственно перед за-

ливкой; непрерывностью приготовления газобетонной смеси и возможностью оперативного регулирования плотности газобетона при заливке смеси в опалубку.

3. Рекомендованырациональныережимы пневмотранспортирования сухих и жидких компонентов газобетонной смеси, их перемешивания и заливки в опалубочную систему.

4. Выявлено влияние рецептурно-технологических факторов на прочностные и деформативные характеристики и диаграмму деформирования «напряжения-деформации» газобетона различной плотности.

Разработана и реализована программа и методика исследований влияния различных технологических факторов на эксплуатационные свойства газобетона с вариатропной структурой и предложены критерии управления свойствами газобетона на стадии формования изделий.

5. Разработана новая оригинальнаяразборно-переставнаякрупно щитовая опалубочная система для производства ограждающих конструкций из монолитного газобетона с вариатропной поровой структурой, позволяющая послойно изменять плотность материала по сечению конструкции — от более плотных на гранях конструкции к менее плотным в середине ее сечения.

6. Разработан мобильный технологический комплекс, объединяющий в себе: новый способ приготовления консолидированной газобетонной смеси и оригинальную опалубочную систему для возведения газобетонных конструкций переменной плотности по сечению, на который получен патент России.

7. Интегральная оценка всего комплекса разработанных предложений выявила их общую высокую эффективность: экономия металла опалубки - 35%; экономия материалов - 133р./ м2; снижение веса ограждающих конструкций - в 2-3 раза; сокращение себестоимости - в 2 раза; уменьшение затрат на транспортировку - в 2 раза; повышение теплотехнических характеристик - на 26%; уменьшение толщина стены до 40 см против 60 см - из газобетона с плотностью 600 кг/м3, 81 см - из керамзитобетона и 119 см - из пустотелого кирпича.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах

1. Булавин В.А Особенности структуры регионального стандарта на базе эффективных заполнителей многослойных ограждающих конструкций //Материалы междунар. науч.-практ. конф. по архитектуре: Тез.докл. - Ростов н/Д, 1997. - С. 37.

2. Шуйский А.И., Булавин В.А. Пути повышения прочностных и деформативных свойств бетонов путем модификации их структуры // Материалы междунар. на-уч.-практ. конф.: Тез.докл. - Ростов н/Д, 1998. - С. 52-53.

3. Булавин В.А., Добронос А.Я. Монолитный газобетон в архитектуре гражданских построек // Материалы междунар. науч.-практ. конф.: Тез.докл. - Ростов н/Д, 1999.-С.63.

4. Булавин В.А Технология приготовления газобетона и формование монолитных ограждающих конструкций на его основе // Известия РГСУ.-1999.- № 4.- С.227.

5. Пат.2161555 РФ, МКИ 7 В28 С5/38 Установка газобетонная мобильная/ В.А. Булавин, А.Я. Добронос, А.И. Шуйский, А.А. Шуйский, Б.И. 2001 №1.

6. Маилян Л.Р., Шуйский А.И., Булавин В.А., Мобильный технологический комплекс для производства газобетона Ростов н/Д: РГСУ - 160 с.

ЛР 020818 от 13.01.99. Подписано в печать 19.12.2003 Формат 60x84/16. Бумага белая. Ризограф. Уч.- изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 233 Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета. 344022, Ростов н/Д, ул. Социалистическая, 162.

123 9

РНБ Русский фонд

2004-4 25080

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ МОНОЛИТНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТ-РУЦИЙ.

1.1. Монолитные ограждающие конструкции, их производство и проблемы

1.2. Выбор базового вида ячеистого бетона как эффективного материала для монолитных ограждающих конструкций.

1.3. Возможность использования местных сырьевых материалов для газобетона как базового вида ячеистых бетонов.

1.3.1. Наполнители на основе отходов ТЭС и отходов дробления горных пород.

1.3.2. Использование вторичных ресурсов химических производств в качестве компонента алюминиевой суспензии.

1.4. Эффективность разработки монолитных ограждающих конструкций с переменной плотностью по сечению.

1.5. Стандартные опалубочные системы для монолитных ограждающих конструкций и их недостатки.

1.6. Особенности существующих установок для формования монолитных конструкций.:.

1.7. Выводы. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ, ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ И ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1. Подготовка и нормативное обеспечение экспериментальных исследований.

2.2. Характеристики исходных материалов.

2.3. Программа экспериментальных исследований.

2.4. Методика изготовления опытных образцов.

2.5. Методика испытания опытных образцов на прочность и морозостойкость.

2.6. Анализ и статистическая обработка результатов опытов методами теории математического планирования эксперимента.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ ФОРМОВАНИЯ ВАРИАТРОПНОЙ ПОРО-ВОЙ СТРУКТУРЫ ГАЗОБЕТОНА.

3.1. Теоретические основы формования газобетона переменной плотности по сечению.

3.2. Расчет термического сопротивления многослойной ограждающей конструкции из газобетона с вариатропной поровой структурой в сравнении с существующими.

3.3. Исследование влияния рецептурно - технологических факторов на физико-механические прочностные и деформативные характеристики газобетона различной плотности.

3.4. Оптимизация составов газобетонной смеси для газобетонов плотностью 400 и 800 кг/м3.

3.5. Исследования способа формования монолитных конструкций из вариа-тропного газобетона.

3.6. Диаграмма «напряжение - деформация» газобетона и предложения по ее аналитическому описанию.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ПО СЕЧЕНИЮ.

4.1. Технологическая схема производства газобетонной смеси раздельным способом.

4.2. Основные элементы технологической схемы.

4.3. Основные способы смешения компонентов.

4.3.1. Анализ способов смешивания компонентов.

4.3.2. Исследование влияния способа перемешивания компонентов на однородность газобетонной смеси в монолитных конструкциях.

4.4. Подбор и предложение рациональных способов приготовления, перемешивания и транспортирования жидких компонентов газобетонной смеси.

4.4.1. Приготовление алюминиевой суспензии.

4.4.2. Сравнительная оценка предложенного способа приготовления консолидированной газобетонной смеси и его преимущества перед существующими

4.5. Разработка оригинальной опалубочной системы для изготовления газобетонных конструкций переменной плотности по сечению с применением нового способа приготовления консолидированной газобетонной смеси

4.6. Новая опалубочная система и особенности ее конструктивных элементов

4.7. Мобильный технологический комплекс для изготовления газобетонных конструкций переменной плотности по сечению с использованием оригинальной опалубочной системы и нового способа приготовления консолидированной газобетонной смеси.

4.8. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗРАБОТАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ

5.1 Технические преимущества разработанного способа возведения стеновых ограждающих конструкций.

5.2 Технико-экономическое сравнение предложенной новой опалубочной системы с традиционно применяемыми опалубками.

5.3. Сравнительная стоимость затрат на возведение ограждающих конструкций из газобетона и керамзитобетона.

5.3. Оценка эффективности технических показателей ограждающих конструкций из газобетона по сравнению с керамзитобетоном.

5.5. Выводы.

Актуальность работы. Обеспечение термосопротивления ограждающих конструкций, улучшение конструкционных свойств материалов, удовлетворение потребности строительного комплекса в эффективных материалах - это важнейшие задачи отрасли в период наступающего строительного бума. Для этого необходимы технологии и материалы, которые обеспечивают сокращение материалоемкости, трудоемкости, энергоемкости и стоимости строительства, снижение массы зданий и сооружений без снижения эксплуатационных характеристик конструкций.

Этим требованиям отвечают конструкции из ячеистых бетонов. Ячеистые бетоны существенно отличаются от других стеновых материалов по энергозатратам на производство, а также по затратам на отопление зданий в период эксплуатации, так как они характеризуются более высокими показателями термосопротивления. Энергоемкость производства (с учетом расхода вяжущих и заполнителей) ячеистобетонных ограждающих конструкций по сравнению с ке-рамзитобетонными конструкциями примерно в 2 раза ниже, энергозатраты при эксплуатации зданий - на 20% меньше. При возведении стен из ячеистого бетона трудозатраты составляют только треть в сравнении с кладкой стен из обычного кирпича. Теплопотери ячеистобетонной стены толщиной 50 см на 25% меньше, чем пустотелой кирпичной стены такой же толщины с внутренним изоляционным слоем.

В настоящее время в России из ячеистого бетона выпускаются стеновые панели, блоки, теплоизоляционные и звукоизоляционные плиты и др. Однако, доля этих изделий в общем объеме бетона и железобетона невелика. По этому показателю наша страна уступает Швеции, где доля производства ячеистых бетонов составляет около 70 %, а также Англии, Бельгии, Голландии, Германии, Дании, Канаде, Польше и др.

В связи с повышением требований СНиП II-3-79** "Строительная теплотехника" к термическому сопротивлению ограждающих конструкций требуемая толщина стен строящихся и реконструируемых зданий из легких бетонов на традиционных заполнителях значительно увеличена. Применяемые в настоящее время заполнители для бетонов по качественным характеристикам и экономической эффективности не в полной мере отвечают современным требованиям. В этой связи сегодня особая роль отводится ячеистому бетону, как наиболее эффективному материалу для ограждающих конструкций. Изготовление монолитных конструкций из ячеистого бетона, и особенно газобетона становится особенно актуальным.

Острой проблемой, связанной с монолитными газобетонными ограждающими конструкциями, является создание материала с переменной плотностью по сечению. Этот материал должен сочетать в себе прочность и несущую способность конструкционного материала с низкой теплопроводностью и высокой звукоизолирующей способностью теплоизоляционного бетона. В настоящее время существуют монолитные стеновые конструкции типа «Сэндвич», которые состоят из различных материалов по сечению, выполняющих раздельно конструкционные и теплоизоляционные функции. Создание же монолитных конструкций из одного и того же материала, но с переменной плотностью по сечению позволяет совмещать конструкционные и теплозвукоизоляционные функции и работать как единое целое, что является важнейшей технологической задачей.

При существующем дефиците эффективных наполнителей для бетонов необходимо использовать вторичные ресурсы промышленных предприятий, в частности отходы ТЭС, утилизация которых приведет к большому экономическому эффекту и благоприятным экологическим изменениям.

Рабочая гипотеза: создание газобетонных ограждающих конструкций, обеспечивающих заданную несущую способность и высокие тепло- и звукоизоляционные характеристики возможно за счет формирования вариатропной по-ровой структуры бетона путем:

- регулирования рецептурно-технологических факторов на стадии формования изделий;

- использования специальной опалубочной системы, обеспечивающей послойное формование изделий;

- разработки режимов формования монолитных конструкций, обеспечивающих слитность структуры и однородность бетона по высоте и вариатропность поровой структуры по толщине изделия;

- использования оборудования, обеспечивающего непрерывное формования массива газобетона, позволяющего оперативно управлять рецептурно - технологическими факторами на стадии заливки смеси в опалубку.

Исходя из выдвинутой гипотезы сформулирована цель диссертационной работы:

- создание вариатропной поровой структуры газобетона для монолитных ограждающих конструкций, обеспечивающей требуемую несущую способность и высокое термосопротивление.

Для достижения поставленной цели в работе последовательно решены следующие задачи исследования:

- анализ существующих монолитных ограждающих конструкций и технологий их возведения;

- подбор и оптимизация состава газобетона различной плотности с использованием вторичных ресурсов ТЭС;

- разработка опалубочной системы обеспечивающей послойное формование различных по толщине и плотности слоев монолитных конструкций;

- разработка способа регулирования рецептурно - технологических факторов на стадии формования газобетонных изделий;

- разработка методики возведения конструкций из газобетона с вариатроп-ной поровой структурой;

- исследование влияния рецептурно - технологических факторов и режимов формования монолитных, ограждающих конструкций на процессы структурообразования и свойства газобетона с вариатропной поровой щ структурой;

- разработка технологического оборудования для мобильного технологического комплекса по изготовлению газобетона с вариатропной поровой структурой;

- опытно-промышленная проверка результатов исследований;

- оценка экономической эффективности разработанных решений.

Научная новизна работы:

- научно обоснована и практически подтверждена возможность создания * монолитных стеновых газобетонных конструкций с вариатропной поровой структурой в процессе их формования.

- разработан способ формования газобетонных ограждающих конструкций из разноплотных слоев, обладающих слитной структурой, за счет плавного изменения плотности газобетона в переходных контактных зонах.

- теоретически обоснованы режимы формования переходных контактных зон между разноплотными слоями газобетона. щ - предложен эффективный способ приготовления, и заливки газобетонной смеси в опалубку, обеспечивающий непрерывность формования конструкций и возможность оперативно регулировать характеристики газобетонной смеси.

- разработана оригинальная опалубочная система, позволяющая возводить монолитные ограждающие конструкции из газобетона с переменной плотностью по сечению;

- разработан передвижной мобильный комплекс для возведения монолитных ограждающих газобетонных конструкций в условиях строительных площадок, на который получен патент Российской Федерации № 2161555 на изобретение;

Практическое значение работы. На основании проведенных исследований разработана эффективная схема формования монолитных ограждающих конструкций вариатропной структуры. Разработана конструкция передвижного мобильного комплекса для формования монолитных ограждающих конструкций из газобетона переменной плотности по сечению в полевых условиях. Получен патент Российской Федерации на изобретение.

Разработаны рабочие составы конструкционно-теплоизоляционных бетонов рациональной структуры различного назначения в широком диапазоне свойств на основе золы-унос.

Эффективность разработанной технологии возведения ограждающих конструкций из газобетона подтверждена проведенными сравнительными теплотехническими расчетами конструкций из различных материалов. Достигнуто снижение материалоемкости и трудозатрат при возведении монолитных ограждающих конструкций путем совершенствования технологических процессов и использования вторичных ресурсов промышленных предприятий.

Результаты научных исследований внедрены в нормативный документ регионального значения - «Рекомендации по применению передвижного мобильного комплекса для изготовления газобетонов различной плотности» (Ростов-на-Дону, СевКавНИПИагропром, 2001 г.- 24 е.).

Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе Ростовского государственного строительного университета и Кабардино-Балкарского государственного университета при чтении лекций специальных курсов для студентов технологических специальностей.

Достоверность результатов обеспечена использованием действующих государственных стандартов, нормативных документов и поверенного оборудования, методов математического планирования экспериментов с обеспечением доверительной вероятности 0,95 при погрешности не более 10 %, обработкой экспериментальных данных с использованием вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения, использованием комплекса современных физико-химических методов исследования (ДТА, электронной и оптической микроскопии).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 опубликованных работах, в том числе 1 патенте на изобретение. Материалы диссертации докладывались и получили одобрение:

• на международной научно - практической конференции по архитектуре, Ростов-на-Дону, 1997г.;

• на международных научно-практических конференциях "Строительство". Ростов-на-Дону, 1999,2001 и 2002г.г.;

• на ежегодных научно - технических конференциях Ростовского государственного строительного университета (1997-2002 г.г.) и Кабардино-Балкарского государственного университета (1999-2001 г.г.). Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен к использованию в монолитных ограждающих конструкциях газобетон с вариатропнй поровой структурой позволяющий повысить теплотехнические показатели при обеспечении заданной несущей способности и минимальной толщины ограждающей конструкции.

2. Применен новый способ приготовления консолидированной газобетонной смеси, отличающийся от традиционных: раздельным транспортированием сухих и э/сидких компонентов (с помощью пневмонагнетателя и насоса соответственно), смешиванием компонентов в специальной форсунке непосредственно перед заливкой; непрерывностью приготовления газобетонной смеси и возможностью оперативного регулирования плотности газобетона при заливке смеси в опалубку.

3. Рекомендованы рациональные режимы пневмотранспортирования сухих и жидких компонентов газобетонной смеси, их перемешивания и заливки в опалубочную систему.

4. Выявлено влияние рецептурно-технологических факторов на прочностные и деформативные характеристики и диаграмму деформирования «напряжения-деформации» газобетона различной плотности.

Разработана и реализована программа и методика исследований влияния различных технологических факторов на эксплуатационные свойства газобетона с вариатропной структурой и предложены критерии управления свойствами газобетона на стадии формования изделий.

5. Разработана новая оригинальная разборно-переставная крупно щитовая опалубочная система для производства ограждающих конструкций из монолитного газобетона с вариатропной поровой структурой, позволяющая послойно изменять плотность материала по сечению конструкции - от более плотных на гранях конструкции к менее плотным в середине ее сечения.

6. Разработан мобильный технологический комплекс, объединяющий в себе: новый способ приготовления консолидированной газобетонной смеси и оригинальную опалубочную систему для возведения газобетонных конструкций переменной плотности по сечению, на который получен патент России.

7. Интегральная оценка всего комплекса разработанных предложений выявила их общую высокую эффективность: экономия металла опалубки - 35%; экономия материалов - 133р./ м ; снижение веса ограждающих конструкций - в 2-3 раза; сокращение себестоимости - в 2 раза; уменьшение затрат на транспортировку - в 2 раза; повышение теплотехнических характеристик - на 26%; уменьшение толщина стены до 40 см против 60 см - из газобетона с плотностью

600 кг/м3, 81 см - из керамзитобетона и 119 см - из пустотелого кирпича.

118

1. Alford Harwy E. Glas microballon particles for construction materials. "Ce-ram.Age", 78, 1962, № 4.

2. Bache H.H., Idorn G.M., Nepper-Christenser P., Nelson J. Morphology of calcium hydroxide in cement paste. "Symp. on Structure of Portland Cement Paste and Concrete", 1966, 154-174.

3. Chaves A.J.F., Morales D.R. Lastia quinteo R. Recovery of genospheres and magnetite from coal burning power plant fly ash // Trans, of Iron and Steel Inst, of Japan/. 1987. Vol.27, № 7. P. 531-358.

4. Czernin, Wolfgang: Cement chemistry and physics for civil engineers / Wolfgang Czernin. Transl. by C. Van Amerongen. 2.Engl.ed. Wiesbaden, Berlin: Bauverlg; London: Goodwin; New-York: Foreign Publications, 1980.

5. Fischer G.L., Chang D.P.J., Brummer M. Fly-ash collected from electrostatic precipitators: microcrystalline structures and the mystery of the spheres // Science. 1976. Vol.192. P. 553-555.

6. Guilaum L. L'activite pouzzolanique des cendres volantes dans les cements Portland et les cements au laitier. "Silicates Inds.",28 (6), 1963, 297-300.

7. Jarrige A. Les cendres volantes dans les betons. "Rev. Mater. Construct. Trav. Publics",(655), 1970, 109-116.

8. Kawada N., Sato K., Hashimoto M. Composite action between cement and fly ash. "6th Symp. on Composete Materials", 1973.

9. Martin H. Die Bindung in Beton. "Betonstein Ztg" (11), 1963, 533-549.

10. Terrier P., Moreau M. Recherche sur le mechanisme de Taction pouzzolanique des cendres volantes dans le ciment. "Rev. Mater. Construct. Trav. Publics",(613), 1966, 379-396.

11. Vaquier A. Carles-Giberques A. Sur l'importance des sulfates dans le caractere pouzzolanique d'une cendre volante silicoalumineuse de centrale thermique. "Rev. Mater. Construct. Trav. Publics",(662), 1970, 331-337.

12. Venuat M. Ciments aux cenders volantes, influence de la proportion de cendre sur les proprietes des ciments. "Rev. Mater. Construct. Trav. Publics",(565), 271-279, 1962 (566), 315-324, 1962 and (567), 1962, 349-356.

13. Ymazaki R. Fundamental studies of the effects of mineral fines on the strength of concrete. "Trans. Japan Society of Civil Engineers, 85 (in Japanese), 1962, 15-44.

14. Абакумов B.B. Анализ и оптимизация наполнителей в цементных пастах и бетонах: Автореф. дис. канд. техн. наук./РИСИ.-Ростов н/Д, 1985.-22 с.

15. Адлер Ю.П., Маркова В.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М: Наука, 1978. с. 279.

16. Айлер Р.К. Коллоидная химия кремнезема и силикатов. Госстройиздат, 1959.

17. Айрапетов Г.А., Бретшнайдер Б. Строительство в Германии. М: Стройиз-дат, 1996.-с. 139-150,211

18. Александров М.П. Подъемно транспортные машины. М: Высшая школа, 1972-с. 437,476.

19. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. М: «Машиностроение», 1978.

20. Атаев Б.С. Исследование влияния технологических параметров бетонной смеси на качество возведения зданий и сооружений в скользящей опалубке. Автореф. диссерт. кандидата техн. наук. Минск, 1978.

21. Атаев С.С. Технология индустриального строительства из монолитного бетона. М: Стройиздат, 1969-с. 16-18.

22. Ахвердов И.Н. К теории деформации цементного камня от усадки кри-сталлогидратной структуры / ДАН БССР. 1979. - Т.23. № 5. - с.444-447. -Бибилиогр.: с.447 (6 назв.).

23. Ахвердов И.Н. Теоретические основы физики бетоноведения.- Ми.: "Высшая школа", 1991.-188с.

24. Ахвердов И.Н., Годзиев Н.С., Овадовский И.М. Легкий бетон.- М.: Изд-во252829,30,31,32,33,34,35,36.