автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высокоэффективный пенобетон с применением золы рисовой шелухи

На правах рукописи

ДАНГ ШИ ЛАН

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ПЕНОБЕТОН С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗОЛЫ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ

05.23.05. — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Румянцев Борис Михайлович

Официальные оппоненты

— доктор технических наук, профессор

Бобров Юрий Леонидович

- кандидат технических наук, профессор

Кульков Олег Валентинович

Ведущая организация ПКТИ промстрой

Защита состоится ¿^/¿'/РЛ2006 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.138.02 при ГОУ ВПО Московском Государственном строительном университете по адресу: 115114, г. Москва, Шлюзовая набережная, дом 8, в аудитории 223.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан •М 2006,

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Развитие производства строительных материалов неразрывно связано не только с увеличением объемов их выпуска, но и с интенсификацией производства, повышением качества, экономией энергоресурсов. При этом в материалах с гидравлическим твердением вяжущего многие из поставленных вопросов решаются за счет применения активных минеральных добавок, в частности, активного кремнезема. Для условий Вьетнама реальным путем получения активного кремнезема в промышленных масштабах является использование отходов при получении риса. При выпуске более 30 мил.тонн риса образуются значительные объема рисовой шелухи (РШ), из которой в настоящее время получают золу рисовой шелухи (ЗРШ), обладающую высоким содержанием активного кремнезема, побочного продукта от процесса производства риса, который использовался только в качестве горючего для малых керамических печей или в качестве выгорающей добавки в производстве кирпича.

В настоящее время в СР Вьетнам интенсивно развивается производство стеновых материалов на основе пенобетона. Обладая рядом ценных свойств и простотой технологии пенобетоны для повышения эффективности требуют сокращения расхода вяжущего и улучшения показателей продукции по прочности, эксплуатационной стойкости, материалоемкости и другим. Использование активного кремнезема позволяет сократить расход клинкерной составляющий, повысить марку изделий, улучшить ряд эксплуатационных показателей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГСУ, плана НИР Министерства строительства СРВ и Института строительной науки и технологии Вьетнама.

Цель и задачи: Основной целью данной работы является получение высококачественного пенобетона с применением золы рисовой шелухи.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность использования в пенобетонах золы рисовой шелухи в качестве активной кремнеземистой добавки;

- установить требования к золе рисовой шелухи предназначенной для применения в пенобетонах;

- подобрать составы и исследовать свойства пенобетонных смесей и пено-бетонов с добавкой золы рисовой шелухи;

- разработать технологию получения пенобетона с добавлением золы рисовой шелухи, оптимазировать ее параметры;- исследовать процессы, связанные с формированием макро- и микроструктуры пенозолобетона;

- изучить физико-механические, теплофизические и эксплуатационные свойства пенозолобетона;

- выпольнить опытно-промышленную проверку результатов исследований и определить технико-экономическую эффективность пенобетона с золой рисовой шелухи;

- разработать предложения по нормативно-технической документации.

Научная новизна работы: - обоснована возможность применения золы рисовой шелухи в качестве активной минеральной добавки с высоким содержанием активного кремнезема участвующего в образований низкоосновных гидросиликатов кальция, которая способствует улучшению структуры и таких эксплуатационных свойств пенобетонов, как водопоглощение, теплопроводность и другие.

- установлены закономерности влияния содержания золы рисовой шелухи на свойства пеномассы и пенобетона;

- обоснованы принципы подбора составов и способа приготовления пено-золобетонной смеси с оптимальными структурными характеристиками;

- установлен механизм процесса структурообразования пенозолобетона с использованием метода последовательного наполнения пены;

- разработаны математические модели для рецептурного подбора состава пенозолобетон в зависимости от его назначения;

- установлены зависимости прочностных, теплофизических и эксплуатационных свойств пенозолобетона для стеновых изделий с учетом содержания золы рисовой шелухи.

Достоверность результатов исследований: Подтверждается повторяемостью результатов при большом объеме экспериментов с использованием действующих государственных стандартов и проверенного оборудования при испытании, методов математического планирования эксперимента и статистической обработке данных современными физико-химическими анализами и физико-механическими испытаниями, а также опыно-промышленным опробованием на заводе строительных материалов в СР Вьетнам.

Практическая значимость: - получены высокоэффективные пенобето-ны с применением золы рисовой шелухи с улучшенными свойствами: прочностью до 4,5 МПа и средней плотностью до 800 кг/м3.

- разработана технология получения стеновых материалов на основе пенобетона улучшенного качества с применением золы рисовой шелухи, обеспечивающие экономию клинкерных компонентов вяжущего до 30%.

Внедрение результатов исследований: Результаты исследований прошли опыно-промышленное опробование при выпуске партии стеновых материалов (блоков) на заводе "Строительные материалы нового века" в г. Шадь-ек СРВ.

- разработаны проекты технических условий и технологического регламента производства стеновых материалов на основе пенобетона с применением золы рисовой шелухи;

- выпущена опыно-промышленная партия стеновых блоков из пенозолобетона, подтвердившая рекомендации и закономерности полученные в работе.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы доложены на международной конференции в рамках выставки «Отечественные строительные материалы» (30 января — 2 февраля 2006 г., Москва), на международной строительной неделе (14-17 февраля 2006 г., Москва) и на юбилейных чтениях, посвященных 100-летию со дня рождения В.А. Китайцева

(апрель 2006г. Москва), отражены вД публикациях.

На защиту выносятся: - теоретические положения о возможности применения золы рисовой шелухи в качестве активной миниральной добавки с высоким содержанием активного кремнезема, обеспечивающей повышение эффективности и качества пенобетона;

- составы и параметры получения высококачественного пенобетона с использованием золы рисовой шелухи;

- основные закономерности отражающие влияние добавки золы рисовой шелухи на свойства пенобетонной массы и пенобетона;

- технология приготовления пенобетона с использованием золы рисовой шелухи;

- основные эксплуатационные характеристики пенобетона с использованием золы рисовой шелухи;

- рекомендации по получению пенобетонов с использованием золы рисовой шелухи и результаты опробования;

- технико - экономическая эффективность применения отходов сельского хозяйства золы рисовой шелухи в производстве пенобетона в условиях Вьетнама.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включающего 36 таблиц, 44 рисунков, списка литературы из 94 наименований и 3 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Отличительной особенностью современного строительства во всем мире является применение эффективных строительных материалов, отличающихся пониженной материалоемкостью, высокой прочностью, хорошими эксплуатационными показателями. Среди стеновых материалов этим требованием в значительной мере отвечают пенобетоны, выпускаемые с широким интервалом марок по плотности (0400...Б800) и по прочности (В1... В5). Особенно важно развитие пенобетона как стенового материала для СР Вьетнам в связи с широким индивидуальным и высотным строительством.

Одной из важнейших проблем в производстве пенобетона является сокращение расхода цемента при сохранении высокого качества изделий. Особенно остро этот вопрос стоит при выпуске неавтоклавных пенобетонов. Так в пенобетонах с плотностью 0600... Б800 расход цемента составляет не менее 400...450 кг на м3.

Одним из эффективных путей сокращения расхода клинкерных вяжущих является применение смешанных цементов, получаемых за счет введения активных минеральных добавок (АМД). Одним из наиболее популярных направлений в мировой практике является получение смешанных вяжущих с применением зол уноса ТЭС. В связи с расширением производства микрокремнезема большое внимание во всем мире стало уделяться аналогам, обеспечивающим его замену без ухудшения конечных свойств бетонов. Высокой гидравлической активностью обладает зола рисовой шелухи (ЗРШ), которая получается при сжигании отходов производства риса. ЗРШ широко используется в рисопроизводящих странах при производстве строительных материалов и монолитных бетонов различного назначения. Благодаря высоким активным свойствам применение ЗРШ решает ряд важных народнохозяйственных задач:

- технических, связанных с производством и применением смешанных цементов, где ЗРШ используется как активная минеральная добавка, обеспечивающая высокий пуццолановый эффект;

- экономических, допускающих экономию клинкерных составляющих при производстве смешанных цементов и бетонов на их основе;

- экологических, направленных на экономию природных ресурсов и утилизацию отходов производства риса.

Вьетнам — одна из стран, имеющая развитое земледелие, к которому относится производство риса, являющегося основным продуктом страны. В 1999 году, производство риса достигло 31,4 миллиона тонн, при этом количество рисовой шелухи (РШ) составляло не менее 6 мил. тонн. При среднем содержании шелухи до 20 % одна тонна риса обеспечивает получение приблизительно 40 кг золы, в которой содержание кремнезема может доходить до 95 % по массе.

При выполнении лабораторных работ использовался портландцемент марки М 400 Воскресенского завода ГОСТ 10178-85 (РФ). При выполнении опытно-промышленного опробования использовался портландцемент марки М 400 Шаомайского завода (СРВ), с показателями определенными по ТСУИ 2682-92 (СРВ). Сравнительные данные по химическому составу клинкера примененных цементов приведенные в таблице 1 показали, что портландцемент Шаомайского завода (СРВ) практически не отличается от портландцемента Воскресенского завода.

Таблица 1

Химический состав клинкеров._'

Завод изготовитель, марка Содержание главных окислов, %

БЮз А12Оз Ре2Оэ СаО МйО К20+Ыа20

Воскресенский М400 22,83 5,52 3,87 61,5 2,65 0,85 0,82

Шаомайский, М400 21,21 5,18 3,58 63,27 2,01 2?07 0,73

В качестве кремнеземистого заполнителя для получения пенобетона использовался кварцевый песок со следующими характеристиками: средняя плотность — 1580 кг/м3; влажность песка 2,4%; по содержанию вредных минеральных и органических примесей песок удовлетворял требованиям ГОСТ 8736-67. По модулю крупности песка М*=2,4 и полному остатку на сите 0,63мм -30%, песок относится к средним.

При проведении экспериментов и опытно-промышленного опробования применялись следующие виды пенообразователей на основе ПАВ катионак-тивного класса:

- пенообразователь ПБ-2000- производитель Ивхимпром.

- пенообразователь (Сульфанол - Б) - производитель ООО "Пента - 91".

- пенообразователь Окись алкилдиметиламина (окись амина) - производитель ЗАО НПФ (БУРСИНТЕЗ).

В качестве активной минеральной добавки, была использована зола рисовой шелухи производства Республики Вьетнам со средней плотностью 850 кг/м3, удельной поверхностью 20 м^г., водопотребностью по массе 30%.

В таблице 2 приведен химический состав ЗРШ, использованной при выполнении экспериментов, на рис.1 — рисовая шелуха при различном увеличением.

Таблица 2

Химический состав ЗРШ.

Si02 А1203 БезОз СаО MgO so3 к2о Na20 П.П.П

87,56 1,61 0,70 1,70 1,60 0,58 0,01 2,18 2,86

\

х45 х450

Рис.1. Рисовая шелуха при различном увеличении.

В качестве теоретической предпосылки при выполнении работы было принято то, что при затворении цементозольной смеси водой проходят процессы гидратации и твердения клинкерных минералов вяжущего с образованием обычных гидратированных продуктов, повышающих РН гидросиликатов, гидроалюминатов, гидросульфоалюминатов и гидроксида кальция, которые вызывают химическое взаимодействие продуктов гидратации вяжущего с активной составляющей золы, обладающей пуццолановыми свойствами. Гидрооксид кальция реагирует с активным кремнеземом с образованием гидросиликатов кальция серии CSH(B).

X Са(ОН)2 + SiOz"" + тН20 = X[CSH (В)] •

В результате жидкая фаза системы обедняется известью, что вызывает протекание дополнительных реакций между активным кремнеземом с основными продуктами гидратации клинкерных материалов 2Ca0.Si02.H20 и ЗСаО. А1203.6Н20.

Гидравлическая активность золы рисовой шелухи (ЗРШ) определяется в значительной мере содержанием активного кремнезема, количество которого зависит от вида рисовой шелухи и режима ее сжигания. При среднем содержании активного кремнезема до 80% по массе, разброс значений этого показателя в зависимости от параметров сжигания может составлять от 40 до 95%.

При выполнении работы были проверены основные параметров сжигания РШ, к которым относятся температура и длительность сжигания. От температуры и времени сжигания зависит удельная поверхность и реакционная способность золы. При исследовании влияния режима сжигания РШ на получение активного Si02 изменялась температура и время сжигания РШ в муфельной печи. Изменение температуры находилось в интервале от 300°С до 1000°С при времени сжигания 1 час. Влияние времени сжигания определось в интервале от 15мин. до 180 мин. при температуре 600°С. Результаты испытаний показали, что наиболее полное сжигание РШ с образованием максимального количества активного Si02 происходит при температуре 550...600°С и

времени сжигания около 60 мин.

Для определения минералогического состава ЗРШ был выполнен рент-гено-фазовый анализ проб, полученных при сжигании РШ в муфельной печи при температура 550°С. Анализ показал, что более 75% всей пробы содержится аморфная составляющая в виде аморфного кремнезема. Кристаллическая фаза включает следующие минералы: [}- кристоболит (4,06;3,14;2,84... 1,43), а- кристобалит (4,13; 2,52 ... 2,058), мулит 3Al203.2Si02 (5,43; 3,43 ... 2,21), а также следы СаСОэ, кальцит, MgO (периклаз) и др.

Пробладающее количество аморфной фазы состоящей в основном из Si02 подтверждает возможность использования ЗРШ в качестве активной минеральной добавки при получении пенобетонов на смешанном вяжущем.

Влияние ЗРШ на подвижность пеномассы определялось по расплыву пе-номассы на приборе Сутгорда. Для определения использовался цемента о-песчаный раствор с соотношением Ц:П=2:1. Водоцементное отношение В/Ц=0,6, расход ПАВ был постоянным и во всех составах и составлял 0,2% по объему от расхода воды. Были выполнены испытания составов, в которых последовательно заменялся цемент в количестве 10,20,30% т.д. на ЗРШ. Результаты испытаний приведенные в таблице 3 показали, что увеличение содержания золы в составе вяжущего вызывает увеличение средней плотности пеномассы с 750 до 1100 кг/м3 при этом подвижность массы снижается с 17 см до 10 см. Снижение подвижности пеномассы можно объяснить повышенной водопотребностью ЗРШ.

При определении влияния ЗРШ на свойства пеномассы и пенобетона были изготовлены образцы, в которых цемент заменялся различным количество ЗРШ при водотвердым отношении (В/Т) 0,4, кратности пены (Кп) 6,5, и концентрации ПАВ 0,2% по объему от воды затворения.

Установлено, что при изготовлении пенозолобетонной смеси методом последовательной минерализации пены возможно получение пенобетонных образцов со средней плотностью 600-800 кг/м3. Количество золы, которым можно заменить цемент без значительного увеличения средней плотности

находится в пределах 20...30%. Кроме того из полученных данных следует, что увеличение содержания ЗРШ в смешанном вяжущем вызывает увеличение средней плотности пенозолобетонной массы. Особенно сильно это становится заметным при соотношении Ц:ЗРШ 70:30 по массе. Повышение плотности пенозоломассы связано со снижением ее кратности при перемешивании компонентов. В рассмотренном интервале снижение подвижности имеет достаточно стабильный характер.

Таблица 3

Влияние ЗРШ на свойства пенобетонной смеси и пенозолобетона.

Содержание золы, % Кратность пе-нозолобетоной смеси Подвижность, см Плотность пенозолобетонной смеси, кг/м3 Плотность пенозолобетона, кг/м3

0 5Л 17 750 600

5 5,2 17 750 600

10 5,2 17 750 600

15 5,2 16 760 610

20 4,8 13 850 750

25 4,7 12 910 790

30 4,3 10 950 810

35 3,8 10 1100 830

При изучении влияния ЗРШ на сроки схватывания и кинетику набора прочности установлено, что при содержании ЗРШ менее 25% сроки схватывания сокращаются и имеют минимальные значения при соотношении Ц:ЗРШ =70:30. При изменении соотношения в большую или меньшую сторону время схватывания увеличивается и характеризуется параметрами превышающими параметры контрольного состава без ЗРШ.

Изучение кинетики набора прочности цементозольного вяжущего показало, что замещение цемента золой позволяет достичь марочной прочности контрольных образцов при составе Ц:3 не выше 80:20. Дальнейшее увеличение прочности имеет место только в более длительные сроки набора прочности. Содержание золы приводит к значительному увеличению времени твердения.

Данные рентгенографического анализа подгвердели, что все исследуемые образцы имеют практически одинаковые фазовый состав, но соотношение отдельных фаз различно. В контрольном образце и в образцах с добавлением ЗРШ присутствуют минералы негидратированного цемента — СзБ; С28; СзА; С*АР с межплоскостными расстояниями <!=[ 1,7663; 1,97694; 2,18605; 2,28156; 2,32302; 2,77712; 2,96588; 3,03094]-10"9 нм. Существование пиков негидратированного цемента в исследованных образцах позволят предположить возможность дальнейшей гидратации вяжущего этих образцов и, следовательно, повышения прочности и плотности материала. Однако образец с добавлением ЗРШ оказался, наиболее предпочтительным, так как у него больше фон и пики новообразований, что говорит о наиболее полно прошедших реакциях гидратации. Кроме того, образец с ЗРШ показал, что у него есть еще и большой резерв активного кремнезема, обеспечивающий дальнейшее протекание реакций.

Изучение макро структур а образцов ПЗБ при увеличении х45, х200, х450 и х2000 раз показало, что пенозолобетон при плотности 550...600 кг/м3 имеет явно выраженную сферическую пористость. Основное количество пор имеет размеры, не отличающиеся между собой больше чем в 2...3 раза и находятся в интервале ОД...0,6 мм. Внутренняя поверхность пор достаточно гладкая, некоторые поры имеют "дырки Лапласа", соединяющие крупные поры между собой. Поры мелких размеров находятся в каналах Плато и дополняют по-ризацию цементного камня.

Изучение микроструктура ПЗБ при увеличении х2000...х4500 раз наглядно показало зернистый характер межпоровых перегородок. Зерна цемента смешанные с ЗРШ образуют слипшиеся конгломераты, находящиеся в процессе гидратации вяжущего. При увеличении х3000...х4500 раз видны в межзерновой пористости игольчатые кристаллы тоберморита. По мере протекания реакции гидратации часть мелких пор будет заполнена такими кристаллами, а более крупные частично изменят параметры своей конфигурации. Результаты морфологического анализа контрольных образцов и образ-

цов с золой рисовой шелухи, в возрасте 1,3 и 6 месяцев показали, что распределение пор по форме в контрольном образце смещено в сторону содержания пор со средним фактором формы равным 0,41. Средний фактор формы пор у образцов с золой рисовой шелухи составляет 0,42...0,43 и остается стабильным во времени.

Результаты исследований распределения пор по размерам показали, что как у контрольных образцов, так у образцов с золой рисовой шелухи, размер пор находится примерно в одном и том же интервале 0,2...0,6мм, с суммарным содержанием пробладающих пор 68% у контрольных образцов и 72% у образцов с золой рисовой шелухи.

Изучение макро- и микроструктуры пенозолобетона показало, что введение в состав вяжущего (портландцемента) золы рисовой шелухи в количестве до 30% от массы цемента не сказывается на основных параметрах макро- и микропористости ПЗБ, некоторые изменения показателей макропористости можно объяснить отличием условий минерализации пены с добавлением и без добавления золы рисовой шелухи, а некоторое различие показателей микропористости ПЗБ и контрольных образцов объясняется различной скоростью протекания реакций, результаты которых выравниваются при достаточно длительной выдержке.

Рис.3. Макро- и микроструктура пенозолобетон в возрасте 0,5 года.

16

Для определения оптимальных составов пенобетона с применением золы рисовой шелухи в качестве активного минерального компонента было выполнено математическое планирование эксперимента трехкомпонентной системы: портландцемент, кварцевый песок, ЗРШ. В качестве переменных параметров были выбраны: XI - расход портландцемента, кг; х2 - расход песка, кг; х3 — расход золы рисовой шелухи.

В качестве выходных параметров были приняты: Х4 - средняя плотность пенобетона, кг/м3; Х5 - предел прочности при сжатие, МПа.

Математическая модель для Х4— плотность пенобетона с применением золы рисовой шелухи и для х5 прочность пенобетона имеют следующий вид: Х4=-518.4+1.039*х1+4.512*х2+4.985*хЗ-0.0188*х1 *х2-0.0196*х1 *хЗ-

0.0235*х2*х3+0.00012*х1*х2*х3 х5=-7.99+0.043*х1+0.0284*х2+0.06*хЗ-0.00014*х1*х2-0.0003*х1*хЗ-

0.00017*х2*хЗ+0.0000013 *х 1 *х2*хЗ Оптимизированные составы пенобетона с золой рисовой шелухи представлены в таблице 4.

Таблица 4

Оптимизированные составы пенобетона на ЗРШ.

Цемент, кг Песок, кг ЗРШ, кг р, кг/м3 11сж, МПа

200 160 40 450 1,40

240 200 40 500 2,14

360 200 40 600 3,16

400 200 96 700 3,97

400 200 180 800 4,67

Данные составы ПЗБ были использованы при изучении физико-механических, теплофизических и эксплуатационных показателей пенобетона с золой рисовой шелухи, а также были учтены при проведении опытного опробования.

Для оптимизации технологических параметров при постоянной концентрации раствора ПАВ было изучено влияние на кратность получаемой пено-золомассы: количества золы, числа оборотов двигателя, длительности вспе-

нивания. Анализ экспериментальных исследований показал, что увеличение количества оборотов вала смесителя до 700 об/мин вызывает интенсивный рост выхода пенозоломассы. От 700 до 1000 об/мин. интенсивность выхода пенозоломассы несколько уменьшается и после 1000 об/мин остается практически постоянным. Вместе с тем, повышение числа оборотов выше 1500 об/мин приводит к резкому гашению пенозоломассы с последующим ее разрушением и расслоением. Таким образом, скорость перемешивания водо-зольного раствора ПАВ в диапазоне 700-1000 об/мин можно считать оптимальной. Длительность вспенивания водозольной суспензии в значительной степени определяется скоростью перемешивания. Так, при скорости перемешивания 500 об/мин и менее выход пенозоломассы стабилизируется через 3,0 минут и более, а при скорости более 700 об/мин за 1,0-1,5 минуты, дальнейшее перемешивание пенозоломассы до 2,5-3,0 минут практически не влияет на выход и подвижность пенозоломассы. После 3,0 минут перемешивания пенозоломасса постепенно теряет подвижность и при 5-7 минут она теряет ее полностью, что можно объяснить передиспергацией пенозоломассы.

Аналитическое исследование полученных результатов экспериментов показало, что приготовление пенозоломассы кратностью 3,5-4,0 рациональнее всего можно получить при скорости вала смесителя 700-1000 об/мин и времени 1,0-1,5 минуты. Расход ЗРШ при этом должен составлять 15-20 % от массы воды. Наиболее эффективными для получения стабильной пенозоломассы являются фракции ЗРШ менее 0,14мм. В качестве ПАВ возможно применение пенообразователей П0-2000, Сульфанол и др. Наиболее технологичны пены, полученные при концентрации ПАВ 0,2-0,3 % от массы воды.

При исследовании технологии получения пенобетона с ЗРШ был разработан и принят за основу метод последовательной минерализации пены, который заключается в последовательном введении золы в раствор ПАВ, вяжущего и песка во вспененную пенозольную суспензию.

Оценка эффективности исследуемых технологических параметров и факторов производилась по следующим показателям: пенообразующая спо-

собность-по коэффициенту выхода пены, времени выхода пены; ее стабиль-ность-по кинетике истечения жидкости из пен во времени, стойкости пены при минерализации.

Для изучения влияния вида ПАВ использовались пенообразователи ПБ-2000, Сульфанол и Оксид амина.

Таблица 5

Изменение объема пены при минерализации.

Пенообразователь Стабилизатор пены Объем пены, мл Уменьшение объема пены,%

До минерализации После минерализации

ПБ - 2000 - 3000 2600 13,4

зола 3000 2800 6,7

Сульфанол - 2300 2000 13,0

зола 2500 1900 8,0

Оксид амина - 1500 800 46,7

зола 1800 1000 42,2

Результаты исследований, проводимых по сравнительной оценке ПАВ, показали (таблица 5), что при минерализации пенозоломассы вяжущим самое наименьшее уменьшение объема претерпевает пенозоломасса из растворов с пенообразователями ПБ-2000 и Сульфанол, имеющими наиболее характерные свойства для данной группы ПАВ. Присутствие ЗРШ в растворе характеризует ее как стабилизатор пены, который улучшает устойчивость пены при минерализации вяжущим.

Вспенивание водозольной суспензии с ПАВ и последующая минерализация пенозоломассы ПЦ вяжущим позволили обеспечивать наименьшее падение кратности пенозоломассы в процессе минерализации вяжущим, способствовать равномерному распределению ЗРШ по всему объему материала и привести к повышению однородности ячеистой структуры.

Физико-механические свойства ячеистых бетонов, к которым относится и пенобетон с применением ЗРШ, в значительной степени зависит от их средней плотности, соотношения компонентов, времени выдержки, условий тепловой обработки и от других факторов.

При изучении влияния ЗРШ на физико-механические свойства пенозо-лобетона определялась зависимость предела прочности образцов при сжатии и изгибе от средней плотности ГОБ, содержания ЗРШ, условий набора прочности. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ на образцах 40x40x160мм. Содержание ЗРШ в образцах изменялись от 0 до 50% по массе.

При определении влияния содержания золы рисовой шелухи на среднюю плотность ПЗБ установлено, что независимо от вида пенообразователя средняя плотность пенобетона повышается на 15...20% при содержании ЗРШ до 30% от массы вяжущего. Различие средней плотности ПЗБ для различных ПАВ объясняется различным изменением кратности пеномассы при минерализации пены золой. При определении влияния содержания золы рисовой шелухи на предел прочности при сжатии и изгибе были отобраны образцы со средней плотностью, кг/м3: 600 ± 20, 700 ± 20, 800 ± 20. Результаты испытаний показывают, что в возрасте 28 суток введение золы рисовой шелухи вызывает некоторое снижение предела прочности ПЗБ при сжатии и изгибе. Однако следует отметить, что в возрасте 360 суток прочность образцов ПЗБ с содержанием золы до 30% выходит на уровень контрольных.

Для установления влияния средней плотности пенозолобетона на предел прочности при сжатии и изгибе были испытаны образцы с содержанием золы рисовой шелухи: 0- контрольные, 20 и 40% по массе. Испытания показали, что предел прочности при сжатии и изгибе ПЗБ увеличивается с повышением средней плотности. При этом на начальном этапе набора прочности (до 28 суток) увеличение содержания ЗРШ вызывает снижение прочности. Исходя из требований, предъявляемых к стеновым материалам > 3,5МПа) удовлетворяет ПЗБ со средней плотностью 500 кг/м3 при замене 20% цемента и средней плотностью 600 кг/м3 при замене до 40% цемента, что соответствует требованием ГОСТ 25485-89.

При изучении влияния ЗРШ на теплофизические и эксплуатационные свойства пенозолобетона были определены теплопроводность материала, температурные деформации, гигроскопичность водопоглощение, усадочные

деформации. Определение проводились на образцах 4x4x16см и образцах, указанных в соответствующих методиках. Содержание ЗРШ изменялось от 0% (контрольные образцы) до 50% от массы цемента при средней плотности от 400 до 800 кг/м3. Определение коэффициента теплопроводности производилось по методу стационарного теплового потока.

При проведении испытания образцов размером 100x100x30мм с содержащий ЗРШ от 10 до 30% было получено значение теплопроводности Х= 0,12 ... 0,17 Вт/(м°С). Теплопроводность контрольного образца не содержавщего ЗРШ составила Х,= 0,18 Вт/(м°С). Полученный результат показывает, что введение ЗРШ в количестве до 30% положительно влияет на теплофизические свойства пенобетонов.

Таблица 6

Изменение теплопроводности пенозолобетона во времени.

№ п/п Содержание золы, % Время испытании, сутки.

3 7 28

1 0 0,14 0,14 0,15

2 5 0,11 0,12 0,13

3 10 0,11 0,12 0,12

4 20 0,10 0,10 0,11

5 30 0,09 0,10 0,11

Изучение влияния содержания ЗРШ в пенозолобетоне различной плотности на теплопроводность показало, что увеличение содержания ЗРШ в пе-номассе приводит к некоторому снижению теплопроводности пенозолобетона, что можно объяснить повышенным содержанием аморфной фазы. Так увеличение содержания ЗРШ соотношения Ц:3 до 70:30 вызывает снижение теплопроводности с 0,15 до 0,11 Вт/(м°С). Однако изучение изменения теплопроводности во времени показало, что со времением по мере увеличения содержания кристаллической фазы теплопроводность несколько увеличивается. Так при Ц:3 = 70:30 сравнение теплопроводности ПЗБ со средней плотностью 700кг/м3 в возрасте 3 и 28 суток показало, что теплопроводность пенозолобетона увеличивается с 0,14 до 0,18 Вт/(м°С). Дальнейшее увеличение

теплопроводности сухого ПЗБ практически отсутствует.

. При изучении влияния средней плотности пенозолобетона на теплопроводность установлено, что теплопроводность ПЗБ со средней плотностью менее 600 кг/м3 имеет низкие значения (около 0,1 Вт/(м°С) и изменяется незначительно. Значительно интенсивней теплопроводность ПЗБ увеличивается при средней плотности более 800 кг/м3. Сравнение ПЗБ по прочностным и теплофизическим показателем показывает, что наиболее эффективными являются ПЗБ со средней плотностью 550...600 кг/м3.

Плотность, кг/ куб. м

Рис.4. Влияние средней плотности ПЗБ на теплопроводность.

♦ — ПЗБ о-ПБ

Определение усадки при схватывании пенозолобетона показало, что содержание ЗРШ в количестве менее 10% снижает величину усадки за счет более плотного характера новообразований. При содержании ЗРШ в составе вяжущего более 20% от массы цемента усадка увеличивается за счет увеличения количества воды затворения, связанного с добавлением ЗРШ имеющей очень развитую поверхность.

При определении водопоглощения ПЗБ образцы с различным содержанием ЗРШ насыщались в течении трех суток. Водопоглощение образцов при

средней плотности от 450 до 870 кг/м3 соответственно составило от 43,0 до 18,2% по массе.

При определении влияния увлажнения ПЗБ на его предел прочности при сжатии были испытаны образцы с влажностью 10 ... 30%. Влажность образцов регулировалась путем полного насыщения образца с последующем удалением части влаги перед испытанием. Испытывались образцы со средней плотностью 600,700,800 кг/м3. Результаты испытаний показали, что увлажнение образцов ПЗБ вызывает снижение предела прочности при сжатии независимо от их средней плотности, при этом более высокий процент снижении прочности отмечен у образцов с меньшей средней плотностью.

Изучение физико-механических и эксплуатационных показателей ПЗБ с золой рисовой шелухи показало:

- при выдержке образцов ПЗБ более 28 суток их физико-механические и эксплуатационные показатели не уступают, а в ряде случаев и превосходят показатели контрольных образцов без золы рисовой шелухи (плотность, прочность, водостойкость, теплопроводность и другие);

- увеличение содержания ЗРШ в ПЗБ более 30% от массы цемента приводят к снижению показателей по сравнению с контрольными образцами, особенно это заметно при содержании золы более 50% от массы цемента.

По результатам исследований составов и технологических параметров была разработана технология пенобетона, основанная на последовательном наполнении пены.

Разработанные составы и технология пенозолобетона были опробованы на заводе строительных материалов в г. Шадьек СРВ при выпуске опытной партии объемом 200 м3. При выпуске опытной партии было использовано оборудование ЗАО "Фибробетон", сочетающее сухую подачу компонентов и турбулентно — кавитационный способ порообразования.

Экономическая эффективность при частичной замене портландцемента на ЗРШ в расчете на 1000 м3 составила 176,6 тыс.руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Обоснована возможность применения золы рисовой шелухи в качестве активной минеральной добавки с высоким содержанием активного кремнезема участвующего в образований низкоосновных гидросиликатов кальция, которая способствует улучшению структуры и таких эксплуатационных свойств пенобетонов, как водопоглощение, теплопроводность и другие.

2. Получены высокоэффективные пенобетоны с применением золы рисовой шелухи с улучшенными свойствами: прочностью до 4,5 МПа и средней плотностью до 800 кг/м3.

3. Разработана технология получения стеновых материалов на основе пенобетона улучшенного качества с применением золы рисовой шелухи, обеспечивающие экономию клинкерных компонентов вяжущего до 30%.

4. Установлено, что ЗРШ повышает ее устойчивость и стабильность пены во времени. Наибольший эффект для стабилизации пены достигается ЗРШ полученной при температуре 600°С при концентрации ПАВ в растворе 0,2...0,3% от массы воды.

5. Разработаны составы пеномассы и технологические параметры изготовления ПЗБ прочностью от 2,5 до 3,5 МПа при содержании ЗРШ в вяжущем до 30%.

6. Разработан способ приготовления пенозолоцементной массы предусматривающей приготовление водозольной суспензия с ПАВ, ее вспенивание и последующую минерализацию цементом и песчанными фракцими заполнителя. При этом кратность пенозоломассы составляет 3...4, падение кратности при минерализации не превышает 10%, средняя плотность массы регулируется параметрами пены и условиями минерализации.

7. Разработан ПЗБ предназначеный для изготовления самонесущих изделий и конструкций средней плотностью до 800 кг/м3 и пределом прочности при сжатии до 4,5МПа, который может быть использован при строительстве зданий в районах с повышенными температурой и влажностью.

8. С помощью математического планирования экспериментов, получены много факторные зависимости прочности и средней плотности от главных факторов.

9. Определение физико-механических и эксплуатационных показателей пе-нозолобетонов с применением ЗРШ показало, что они по прочности при сжатии, водостойкости, линейной усадки превосходят значения образцов изготовленных без ЗРШ.

10. Опытно-промышленное опробование составов и технологии производства пенозолобетонов проведено на заводе строительных материалов в г.Шадъек СРВ с экономическим эффектов в пересчете на рубли РФ 176,6 тыс. на 1000 м3 при средней плотности ПЗБ 600 кг/м3 за счет сокращения расхода цемента и применения ЗРШ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В . СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

/и ¿С

1. Румянцев Б.М., Данг Ши Лан «Пенозолобетон с активным кремнеземом)/ /

п-' -

Журнал «Строительные материалы и технологии XXI века», № 6,2006 г.

2. Румянцев Б.М., Данг Ши Лан «Пенозолобетон с активным кремнеземом» Сб. материалов юбилейных чтений «Развитие теории и технологии в области теплоизоляционных и отделочных материалов», посвященных 100-летию со дня рождения В. А. Китайцева, М. МГСУ, 2006 г.

3. Данг Ши Лан, Критарасов Д.С. Пенобетон с добавлением золы рисовой ¿) £ шелухи. Сборник докладов на конференции «Отечественные строительные / материалы», Москва, 2006 г.

4. Данг Ши Лан, Критарасов Д.С. Пенобетон с добавлением золы рисовой 0^/ шелухи. Сборник докладов на международной конференции «14 междуна- ( ^ ^ родная строительная неделя», Москва, 2006 г.

5. Данг Ши Лан, Критарасов Д.С. Пенобетон с добавлением золы рисовой

шелухи. Ж. «Технологии бетонов» №2,2006 г. /д /

■--— " ^

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Развитие производства и применения пенобетона в современном строительстве.

1.2. Пути повышения эффективности и качества пенобетона.

1.3. Зола рисовой шелухи (ЗРШ) и ее применение в производстве строительных материалов.

1.4. Цель и задачи работы.

1.5. Исходные материалы и методики исследований.

Глава 2. Научные основы применения золы рисовой шелухи в производстве пенобетона.

2.1. Зола рисовой шелухи как активная минеральная добавка.

2.2. Способы получения активной золы рисовой шелухи (ЗРШ).

2.3. Обоснование выбора технологии пенобетона с добавкой ЗРШ.

Глава 3. Исследование влияния золы рисовой шелухи на свойства пенобетона.

3.1. Исследование влияния золы рисовой шелухи (ЗРШ) на свойства вяжущего.

3.2. Исследование процессов приготовления пенозолобетонной массы.

3.3. Формирование структуры пенозолобетона с ЗРШ.

3.4. Оптимизация состава пенобетона на основе портландцемента и золы рисовой шелуши.

Глава 4. Физико-механические и эксплуатационные свойства пенозолобетона.

4.1. Влияния золы рисовой шелухи на физико-механические свойства пенозолобетона.

4.2. Влияния золы рисовой шелухи на теплофизические и эксплуатационные свойства пенозолобетона.

Глава 5. Разработка технологии пенобетона с добавкой золы рисовой шелухи и ее технико-экономическая эффективность.

5.1. Разработка технологии пенозолобетона.

5.2. Опытно-промышленное опробование и технико-экономическая эффективность произволе 1ва и применения пенозолобетона.

5.2.1. Опытно-промышленное опробование.

5.2.2. Технико-экономический расчет эффективности производства и f- применения пенозолобетона.

Выводы.

Актуальность: Развитие производства строительных материалов неразрывно связано не только с увеличением объемов их выпуска, но и с интенсификацией производства, повышением качества, экономией энергоресурсов. При этом в материалах с гидравлическим твердением вяжущего многие из поставленных вопросов решаются за счет применения активных минеральных добавок, в частности, активного кремнезема. Для условий Вьетнама реальным путей получения активного кремнезема в промышленных масштабах является использование отходов при получении риса.

При выпуске более 30 мил.тонн риса образуются значительные объема рисовой шелухи (РШ), побочного продукта от процесса производства риса, который использовался только в качестве горючего для малых керамических печей или в качестве выгорающей добавки в производстве кирпича. В настоящее время из РШ получают золу рисовой шелухи (ЗРШ), обладающую высоким содержанием активного кремнезема. Эту золу в качестве активной минеральной добавки используют для получения бетонов отвечающих повышенным требованиям.

В настоящее время в СР Вьетнам интенсивно развивается производство стеновых материалов на основе пенобетона. Обладая рядом ценных свойств и простотой технологии пенобетоны для повышения эффективности требуют сокращения расхода вяжущего и улучшения показателей продукции по прочности, эксплуатационной стойкости, материалоемкости и другим. Использование активного кремнезема позволяет сократить расход клинкерной составляющий, повысить марку изделий, улучши 1ь ряд эксплуатационных показателей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГСУ, плана НИР Министерства строительства СРВ и Института строительной науки и технологии Вьетнама.

Цель и задачи: Основной целью данной работы являекя получение высококачественного пенобетона с применением золы рисовой шелухи;

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать возможность использования в пенобетонах золы рисовой шелухи в качестве активной кремнеземистой добавки;

- установить требования к золе рисовой шелухи предназначенной для применения в пенобетонах;

- подобрать состовы и исследовать свойства пенобетонных смесей и пенобетонов с добавкой золы рисовой шелухи;

- разработать технологию получения пенобетона с добавлением золы рисовой шелухи, оптимазировать ее параметры;

- исследовать процессы, связанные с формированием макро- и микроструктуры пенозолобетона;

- изучить физико-механические,теплофизические и эксплуатационнные свойства пенозолобетона; выпольнить опытно-промышленную проверку результатов исследований и определить технико-экономическую эффективность пенобеюна с золой рисовой шелухи;

- разработать предложения по нормативно-технической документации;

Научная новизна работы: - обоснована возможность применения золы рисовой шелухи в качестве активной минеральной добавки с высоким содержанием активного кремнезема участвующего в образований низкоосновных гидросиликатов кальция, которая способствует улучшению структуры и таких эксплуатационных свойств пенобетонов, как водопоглощение, теплопроводность и другие.

- установлены закономерности влияния содержания золы рисовой шелухи на свойства пеномассы и пенобеюна;

- обоснованы принципы подбора составов и способа приготовления пенозолобетонной смеси с оптимальными структурными характеристиками;

- установлен механизм процесса структурообразования пенозолобетона с использованием метода последовательного наполнения пены;

- разработаны математические модели для рецептурного подбора состава пенозолобетон в зависимости от его назначения; установлены зависимости прочностных, теплофизических и эксплуатационных свойств пенозолобетона для стеновых изделий с учетом содержания юлы рисовой шелухи.

Достоверность результатов исследований: Подтверждается повторяемостью результатов при большом объеме экспериментов с использованием действующих государственных стандартов и проверенного оборудования при испытании, методов математического планирования эксперимента и статистической обработке данных современными физико-химическими анализами и физико-механическими испытаниями, а также опыно-промышленным опробованием на заводе строительных материалов в СР Вьетнам.

Практическая значимость: - получены высокоэффективные пенобетоны с применением золы рисовой шелухи с улучшенными свойствами: прочностью до 4,5 МПа и средней плотностью до 800 кг/м3.

- разработана технология получения стеновых материалов на основе пенобетона улучшенного качества с применением золы рисовой шелухи, обеспечивающие экономию клинкерных компонентов вяжущего до 30%.

Внедрение результатов исследований: Результаты исследований прошли опыно-промышленное опробование при выпуске партии стеновых материалов (блоков) на заводе "Строительные материалы нового века" в г. Шадьек СРВ.

- разработаны проекты технических условий и технологического регламента производства стеновых материалов на основе пенобетона с применением золы рисовой шелухи;

- выпущена опыно-промышленная партия стеновых блоков из пенозолобетона, подтвердившая рекомендации и закономерности полученные в работе.

Апробация работы; Основные результаты диссертационной работы доложены на международной конференции в рамках выставки «Отечественные строительные материалы» (30 января - 2 февраля 2006 г., Москва), на международной строительной неделе (14- 17 февраля 2006 г., Москва) и на юбилейных чтениях, посвященных 100-летию со дня рождения В.А. Китайцева (апрель 2006г. Москва), отражены в 3 публикациях.

На защигу выносятся: - теоретические положения о возможности применения золы рисовой шелухи в качес1ве активной миниральной добавки с высоким содержанием активного кремнезема, обеспечивающей повышение эффективности и качества пенобетона;

- составы и параметры получения высококачественного пенобетона с использованием золы рисовой шелухи;

- основные закономерности отражающие влияние добавки золы рисовой шелухи на свойства пенобетонной массы и пенобетона;

- технология приготовления пенобетона с использованием золы рисовой шелухи; основные эксплуатационные характеристики пенобетона с использованием золы рисовой шелухи;

- рекомендации по получению пенобетонов с использованием золы рисовой шелухи и результаты опробования;

- технико - экономическая эффективность применения отходов сельского хозяйства золы рисовой шелухи в производстве пенобетона в условиях Вьетнама.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состой г из введения, пяти глав, общих выводов, списка лшературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописною текста, включающего 36 таблиц, 46 рисунков, списка литературы из 95 наименований и 3 приложений.

выводы.

1. Обоснована возможное 1Ь применения золы рисовой шелухи в качсаве активной минеральной добавки с высоким содержанием активною кремнезема участвующею в образований низкоосповиых Iидросиликаюв кальция, коюрая способствует улучшению структуры и таких эксплуатационных свойств пепобеюпов, как водопоглощеиие, теплопроводность и другие.

2. Получены высокоэффективные пепобеюны с применением золы рисовой шелухи с улучшенными свойствами: прочностью до 4,5 МПа и средней плотностью до 800 ю/м\

3. Разработана технология получения стеновых материалов на основе пенобетона улучшенною качества с применением золы рисовой шелухи, обеспечивающие экономию клинкерных компонентов вяжущего до 30%;

4. Установлено, чю ЗРШ повышает устойчивость и стабильность пены во времени. Наибольший эффект для стабилизации пены достигается ЗРШ, полученной при температуре 600°С при концентрации ПАВ в растворе 0,2.0,3% от массы воды.

5. Разработаны составы пеномассы и техполотические параметры изготовления ПЗБ прочностью 01 2,5 до 3,5 МПа при содержании ЗРШ в вяжущем до 30%.

6. Разработан способ приготовления пенозолоцеменшой массы предусматривающей приготовление водозольпой суспензия с ПАВ, ее вспенивание и последующую минерализацию цемешом и песчапными фракцими заполнителя. При эюм кратность пепозоломаесы составляет 3.4, падение кратности при минерализации не превышает 10%, средняя плошость массы регулируется параметрами пены и условиями минерализации.

7. Разработан ПЗБ предназначеный для изютовления самонесущих изделий и конструкций средней плотностью до 800 кг/м3 и пределом прочности при сжатии до 4,5МПа, который может быть использован при строительстве зданий в районах с повышенными температурой и влажностью.

8. С помощью математическою планирования экспериментов, получены мною факторные зависимости прочности и средней плошости от главных факторов.

9. Определение физико-механических и эксплуатационных показателей пенозолобеюнов с применением ЗРШ показало, что они по прочности при сжатии, водостойкости, линейной усадки превосходят значения образцов изюювленных без ЗРШ.

10. Опытно-промышленное опробование составов и технологии производства пепозолобетопов проведено на заводе строительных материалов в г.Шадъек СРВ с экономическим эффектов в пересчете на рубли РФ 176,6 тыс. на 1000 м1 при средней плотности ИЗБ 600 кг/м1 за счет сокращения расхода цемента и применения ЗРШ.

1. Абрамзон A.A. Поверхностно-акзивные вещества, JI, Химия, 1981.

2. Ахундов А. А., Гудков Ю.В. Состояние и перспективы развития производава пенобетона. Сб. статей Вестник БПУ имени В.Г. Шухова №4.2003г.

3. Ахундов А. А. Удачкин В.И. Перепекiивы совершенствования технологии пенобетона. Строительные материалы,№4, 2002i.

4. Баженов Ю.М. Техноло1 ия бетона, М, АСВ, 2002г.

5. Ба1 раков В. Г. Модифицированные бетоны. Изд. 2-е, перерабоишпое и дополненное. Москва 1998, 768с.

6. Боженов П. И. Комплексное использование минеральною сырья для производства строительных материалов. М.-Л.,ГСИ, 1963.

7. Брюшков A.A. Газо- и пеиобегоны, Изда1ство инешгута прикладной минералогии, М., 1931г.

8. Баранов А. Т. Бужевич Г.А. Золобетон (ячеистый и плотный) ГСИ, 1960.

9. Волжепский А.В.Минеральные вяжущие вещееi на. М.: Стройиздат, 1986.- 464с.

10. Волженский A.B., Буров Ю.С., Гладких К.В. Бетоны и изделия из шлаковых и зольных ма1ериалов. М., СИ, 1969.

11. Волженский A.B., Иванов И.А., Bhiioi радов Б.П. Применение зол и топливных шлаков в произволе пзе ci рои юльпых ма1ериалов.-М.: Стройиздат, 1984.-255с.

12. Высоцкий С.А. Минеральные добавки для бетонов. Бетон и железобеюн. -1994 -№2, с 7-10.

13. Гаустам Танка Прасад. Применение золы рисовой шелухи при производстве дорожно-строительных материалов в Пепаие. Диссертция канд. тех. наук. Минск. 1995.14