автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Баротехнология и свойства пенобетона

Введение

Глава 1. Обзор и состояние производства пенобетона

1.1. Исходные предпосылки развития пенобетона в России ю

1.2. Краткие сведения о разработке отечественных ц пенообразователей для производства пенобетона

1.3. Разработка технологии и оборудования для производства пенобетона

1.4. Технология и оборудование ОАО «ВНИИстром ¡3 им.П.П.Будникова» для производства пенобетона

1.5. Разработки института «НИИЖБ» и ряда других 22 организаций

1.6. Зарубежный опыт организации производства пенобетона

Глава 2. Методика исследований и сырьевые материалы

2.1. Методика исследований

2.2. Характеристика исходйых сырьевых компонентов

Глава 3. Исследование процесса приготовления пенобетона по 49 баротехнологии, способы и оборудование для его реализации

3.1. Теоретические предпосылки создания технологии 49 приготовления пенобетона по баротехнологии

3.2. Экспериментальное исследование процесса получения и 52 транспортировки пенобетонной смеси

Глава 4. Аппаратурное оформление баротехнологии

4.1. Установка мобильная турбулентная

4.2. Установка УМПБ - 1,0 " ■•

Глава 5. Применение пенобетона, получаемого по баротехнологии для теплозащиты зданий и сооружений

Изделия из бетона и железобетона по уровню технических и экономических показателей остаются основными конструкционными материалами ъ строительстве. Они занимают приоритетные места в общей структуре мирового производства строительной продукции.

Бетон и железобетон успешно применяются во всех отраслях строительного производства: для возведения плотин, энергетических комплексов, гидротехнических сооружений, телебашен и т.д, а также для возведения зданий и сооружений различного назначения.

Бетон и железобетон, получивший название "материал XX века", благодаря своим уникальным свойствам, по нашему мнению, останется материалом и XXI века. Но только произойдут некоторые структурные изменения к требованиям, предъявляемым к качественным показателям бетонов. Повысятся требования прежде всего к прочностным показателям тяжелых и конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов для каркасно-монолитного строительства, а также потребуется организация производства суперлегких и высокопрочных теплоизоляционных бетонов плотностью 120-500 кг/мЗ/1/.

В развитых капиталистических странах объем производства бетона и железобетона непрерывно возрастает и в настоящее время в США, Японии и Германии составляет соответственно: 260, 240 и 120 млн.куб.м в год. К сожалению, объем производства в России сократился до 29 млн.куб.м в год.

В последние годы в направлении развития строительного производства в Российской Федерации, особенно в жилищном строительстве, была выдвинута новая концепция, которая нашла отражение в Постановлении Правительства РФ № 708 от 19.06.94 г. "О подпрограмме Федеральной целевой программы "Жилище" "Структурная перестройка производственной базы жилищного строительства", в которой сказано: "Основным направлением структурных изменений в архитектуре и градостроительстве в ближайшие годы является постепенный переход преимущественно на малоэтажное строительство с сохранением многоэтажного жилищного строительства для зон крупных и крупнейших городов и сокращение панельного строительства за счет расширения производства местных строительных^ материалов". Кроме того, структурную перестройку производства строительных материалов потребовалось рассматривать в связи с Постановлением Министерства строительства Российской Федерации от 11.08.95 г. № 18-81 о введении в действие изменения № 3 к СНиП 11 -3-79 "Строительная теплотехника", в соответствии с которой требуемое термическое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций возросло в 2000 году в 3-3,5 раза. К этим условиям добавилось повышение цен на энергоносители. Все вышеперечисленные факторы привели к изменению структуры производства строительных материалов и конструкций,в т.ч. и изделий из бетона и железобетона. Поэтому указанные факторы легли в основу дальнейшего развития производства легкого бетона и изделий на его основе.

Пенобетон,являющийся одной из разновидностей легких ячеистых бетонов, является эффективным стеновым и теплоизоляционным материалом. По классификации ячеистые бетоны подразделяются на две группы: первая - бетоны, получаемые с применением газообразователей, и вторая - пенобетоны, получаемые с использованием пенообразователей.

Технология изготовления пенобетона значительно проще. Для получения пенобетона в приготовленную цементно-песчаную смесь добавляется пена и после их перемешивания смесь готова для формовки из нее различных изделий /2, 3/.

В отличие от газобетона для изготовления пенобетона используются менее энергоемкие процессы. Поэтому себестоимость изделий из пенобетона примерно на 30-50% ниже, чем себестоимость изделий из газобетона. Однако несмотря на простоту изготовления пенобетон до последнего времени не получил широкого развития. Причиной этому было отсутствие качественных пенообразователей и основного технологического оборудования. Только, начиная с начала 90-х годов в связи с переходом к рыночным условиям для развития производства пенобетона возникли объективные предпосылки. К ним прежде всего относятся необходимость разработки эффективных, дешевых, менее энергоемких технологий для производства стеновых материалов и создание миниустановок, удовлетворяющих потребность рынка. В связи с этим в последние 8-10 лет благодаря усилиям ряда организаций (ОАО «ВНИИстром им.П.П.Будникова» , АО «Строминноцентр» , ЗАО «Научно-производственная фирма «Стройпрогресс —Новый век» , НИИЖБ, НИИПТИ «Стройиндустрия», МГСУ и др. ) были созданы различные модификации технологий и оборудования для производства пенобетона, которые получили достаточно широкое развитие.

Вместе с этим следует отметить, что изделия из пенобетона по своим физико-техническим показателям отстают от показателей изделий из газобетона и прежде всего это относится к прочности и усадке.

Анализ показывает, что одним из главных факторов, влияющих на физико-технические свойства пенобетона и в первую очередь на его прочность, является устойчивость и гранулометрический состав« воздушных пузырьков пены (пор), вводимой в состав цементно-песчаной смеси. В целях улучшения указанных показателей нами априори было принято решение о принудительном воздействии на воздушные пузырьки, находящиеся в пеномассе, путем создания в смесительных аппаратах избыточного давления. Таким образом, была выдвинута новая концепция технологии пенобетона, которая нами была названа баротехнологией. Как показали дальнейшие исследования, эта концепция оправдала себя и в значительной степени способствовала получению материала с улучшенными физико-техническими показателями. На основании изложенного автор утверждает, что тема диссертационной работы актуальна /4-11/.

Цель работы. Разработка научно-практической основы изготовления изделий из пенобетона по баротехнологии и создание специализированного оборудования для этой цели, а также его широкое промышленное внедрение.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обосновано релаксационное сжатие и расширение пузырьков пены в цементно-песчаной смеси в специально созданных смесительных аппаратах и растворопроводах, обеспечивающие получение пенобетонной смеси заданного свойства.

Впервые осуществлена постановка и решение задачи по производству стеновых блоков из пенобетона по бартехнологии. На основании термодинамического анализа образования и поведения воздушных пузырьков пены в цементно-песчаной смеси обоснован новый способ получения пенобетона под избыточным давлением, названный баротехнологией.

На основании анализа уравнения Новье-Стоксса обосновано применение закона Пуазейля для расчета массопровода.

Установлены количественные показатели получения пенобетонной смеси под избыточным давлением, на основании которых выявлен ряд закономерностей, характеризующих данный процесс. К ним относятся:

- влияние на изменение плотности пенобетона количества и кратности пены;

- зависимость прочности пенобетона от его плотности;

- изменение плотности и прочности пенобетона в зависимости от величины создаваемого избыточного давления в смесителе;

- влияние давления на количество образуемой- пены, ее расширение и диспергирование, а также на процесс дополнительного воздухововлечения;

- влияние релаксационного обжатия чпеномассы на изменение межпоровых прослоек пропорционально величине избыточного давления, приводящее к упрочнению межпоровых прослоек и увеличению их устойчивости.

Теоретически и экспериментально установлены закономерности транспортировки пеномассмы по масопроводу, выраженные в зависимости интенсивности расхода пеномассы в массопроводе от перепада давления.

Практическое значение. Разработана принципиально новая прогрессивная технология пенобетона - баротехнология. Технология позволяет изготавливать пенобетон плотностью 3001200 кг/мЗ без тепловой обработки. Пенобетонная масса отличается высокой устойчивостью, что позволяет транспортировать ее по растворопроводу без нарушения поровой структуры до 200 м.

Созданы и выпускаются серийно стационарные и мобильные установки для получения пенобетона по баротехнологии производительностью до 8 мЗ в час в максимальной степени соответствующие российским условиям.

Установки успешно вышли на внутренний и внешний рынок, где пользуются особым спросом у предпринимателей малого и среднего бизнеса.

Данные установки эксплуатируются в Московской, Ярославской, Тамбовской, Иркутской и других областях России.

Апробация работ. Материалы работы доложены и обсуждены на научно-практическом семинаре «Повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций и инженерных сооружений» 21-22 декабря 1999 г. в Минстрое -Московской области, секции строительных материалов и изделий Научно-технического совета Госстроя России 28 марта 2000 г. и на Ученом Совета ОАО «ВНИИстром им.П.П.Будникова» 22 февраля 2000 г.

Работа отмечена золотой медалью и дипломом первой степени на международной выставке-ярмарке «Инновация-98», серебряной медалью и дипломом второй степени на выставке «Московской области - 70 лет».

За разработку технологии и промышленное освоение производства пенобетона и изделий на его основе в числе группы ученых и специалистов автор удостоен звания «Лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники 2000 г.». ^

Далее во введении считаем необходимым отметить, что как известно строительство принято называть локомотивом развития экономики любой страны и вывода ее из кризиса. Безусловно, это также относится и к нашей стране. На данном этапе развития России, в целом в подъеме строительного производства особое значение имеет развитие индивидуального строительства /12/.

Население признает, что недвижимость это наиболее выгодное вложение личных средств. Так в предкризисном 1997 году в России сдано в эксплуатацию 23 млн.кв.метров жилой площади, из которой 35% приходилось на индивидуальных застройщиков. В 1997 году население на эти цели вложило порядка 6 млрд.долларов США личных средств 161.

Поэтому можно с уверенностью отметить, что подъем индивидуального строительства уже способствует и в дальнейшем будет значительно способствовать развитию базы стройиндустрии.

Коробка дома (ограждающие и теплоизоляционные материалы) составляет 50-60% его стоимости. Традиционные материалы (кирпич, керамзитобетонные блоки и др.) имеют высокую стоимость и нет обеспечивают комфорта и теплоизоляции помещений.

Известно, что в современных условиях изделия из пенобетона являются наиболее экономичными, тепло- и звукоизолирующим материалом и доступным для решения поставленных задач. Пенобетон обладает целым рядом преимуществ, выгодно отличающих его от аналогичных материалов. Это, в первую очередь, предельно простая технология его изготовления. Пенобетон, имеющий множество замкнутых воздушных ячеек с 9 высокими теплоаккумулирующими, тепло- и звукоизоляционными свойствами, регулирует микроклимат в доме, - стены «дышат» и не отпотевают, поглощая и медленно отдавая влагу за счет незначительного сопротивления давлению влажного воздуха. Минеральная основа ячеистого бетона обеспечивает повышенную пожаробезопасность и экологическую безвредность конструкций на его основе, что подтверждено соответствующими сертификатами. Изделия из пенобетона имеют высокоточную геометрию, обеспечивающую точность их соединения между собой. Поверхности стен и перекрытий практически ровные, при укладке стеновых блоков толщина шва клеящей мастики может не превышать 1 мм, что позволяет удовлетворить эстетические запросы самого притязательного заказчика.

Таким образом, в заключении можно с уверенностью утверждать, что пенобетон и его разновидности наряду с современным его уровнем развития в ближайшем будущем получат

- •>1 мощное развитие.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые теоретически на основании анализа.--■•«образования и поведения воздушных пузырьков пены в цементно-пеечаной смеси предложен новый способ получения пенобетона под избыточным давлением, названный нами баротехнологией.

2. Обосновано и практически реализовано релаксационное сжатие и расширение пузырьков пены в цементно-пеечаной смеси в специально созданных смесительных аппаратах и растворопроводах, приводящие к получению однородной пенобетонной смеси заданного свойства .

3. Установлено, что положительное действие избыточного давления на устойчивость пенобетонной массы обусловлено тем, что в сжатом состоянии воздушные пузырьки упрочняются и не разрушаются при перемешивании и транспортировании. Воздушные пузырьки по выходу массы из растворопровода расширяются из-за перепада давления.

4. Установлены следующие закономерности влияния избыточного

• давления на свойства пенобетонных изделий:

4.1. давление в пределах 0,1-0,5 МПа позволяет снизить среднюю плотность пенобетона до 100 кг/мЗ, причем, чем ниже исходная плотность пенобетонной массы, тем существеннее влияние;

4.2. при равном значении средней плотности пенобетона по разработанной и обычной технологии, прочность -при сжатии материала, полученного по баротехнологии, на 15% выше обычного.

5. Разработаны составы нового пенообра^оватетеля «Пеностром». Техническая пена характеризуется высокой кратностью (не менее 10) и повышенной устойчивостью (до 40 мин.).

6. Разработана принципиально новая технология пенобетона, отличительными особенностями которой являются:

- перемешивание и транспортирование пенобетонной массы при избыточном давлении;

- совмещение в одном агрегате функции смесителя и пневмокамерного насоса,

7. Созданы мобильная и стационарная установки, которые позволяют наиболее эффективно использовать баротехнологию. Установки производительностью до 8 мЗ/час обеспечивают высокую точность регулирования плотности пенобетона, отличаются малой энерго- и металлоемкостью и стоимостью, а также простотой использования.

8. Технология в новом аппаратурном оформлении способна производить пенобетон широкого диапазона: теплоизоляционный -плотностью 300-500 кг/мЗ, конструкционно-теплоизоляционный -плотностью 500-800 кг/мЗ и конструкционный - плотностью более 800 кг/мЗ. Пенобетон, произведенный по баротехнологии имеет более высокие качественные показатели и более высокую степень однородности, чем материал, изготовленный по обычной технологии.

9. Производство пенобетона по баротехнологии освоено в ряде районов страны - Московской, Ярославской, Тамбовской, Иркутской, Ульяновской, Томской, Смоленской и других областях России. Объем пенобетона произведенного в 2000 г. составил порядка 500 тыс.мЗ.

Ю.Экономический эффект в 2000 году только по данным подтвержденным актами внедрения от четырех предприятий составил в среднем по одному предприятию 2410000 рублей, т.е. прибыль в среднем на I мЗ готовых изделий, составила 277 рублей. Общий экономический эффект годовой по четырем предприятиям составил 9640000 рублей.

1. Ахундов A.A., Гудков Ю.В., Состояние и направление развития производства легких бетонов в России, Труды международного симпозиума по легким бетонам, Кристиансанд, Норвегия, 18-22 июня 2000.

2. Ахундов A.A., Гудков Ю.В., Иваницкий В.В., Пенобетон -эффективный стеновой и теплоизоляционный материал, журнал «Строительные материалы», №1, 1998.

3. Ахундов A.A., Стеновые и теплоизоляционные материалы основа строительства современного здания, журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», № 1, 1999.

4. Гусенков С.А., Удачкин В.И. и др. О развитии стеновых материалов в условиях российского рынка // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. № 1, 18-19.

5. Удачкин И.Б., Гусенков С.А. Удешевление индивидуального жилищного строительства // Промышленник России, специальный выпуск. 1999-с.ЗЗ.

6. Удачкин И.Б., Гусенков С.А. Российский пенобетон // Наука и технология в промышленности. 2000. №1 С.49-51.

7. Патент № 2118930 на изобретение. Бортоснастка для изготовления изделий из ячеистобетонных смесей (Савватеев А.Д., Гусенков С.А. и др.) Приоритет от 10.10.1996.

8. Патент № 2173257 на изобретение. Смеситель для получения ячеистобетонной смеси (Гусенков С.А., Удачкин И.Б. и др.). Приоритет от 10.09.2000.

9. Патент № 2131858 на изобретение. Пенообразователь для поризации бетонной смеси (Гусенков С.А., Удачкин И.Б. и др.) Приоритет от 20.06.1999.

10. Патент № 2132316 на изобретение. Способ приготовления бетонной смеси (Гусенкш^^^азкин И.Б. и др.) Приоритет от 27.06.1999.

11. Ахундов A.A., Развитие индивидуального жилищного строительства как рычаг подъема экономики страны, Журнал «Строительные материалы» №4, 1998.

12. Ястрежембский A.C., Техническая термодинамика, Госэнергоиздат, М.-Л. 1953.

13. Батраков В.Г., Модифицированные бетоны, М. 1998.

14. Журнал «Строительные материалы», №7, 2001 г.

15. Адамсон А., Физическая химия поверхностей, М., 1979.

16. Гухман A.A., Введение в теорию подобия, Высшая школа, 1963.

17. Процессы и аппараты химической технологии, Том 1 Основы теории процессов химической технологии под редакцией академика А.М. Кутепова, Москва, 2000, «Логос».

18. Михеев М.А. Основы теплопередачи, М., 1956.

19. Левин H.H. Рекомендации по применению мелких стеновых ячеистобетонных блоков //Экспресс-информация. М., 1986. Вып.11. Серия 8. 12 с.

20. Лыков А. Теоретические основы строительной теплофизики. Мн., 1961.

21. Кауфман В.Н. Пенобетон. М„ Издательство МД НТП, 1983, 8.-243 с.

22. Крашенниников А.Н. Монолитная теплоизоляция из ячеистых бетонов и пластмасс. Л., Стройиздат. 1974-274 с.

23. Винокуров О.П. Опыт производства и применение неавтоклавных ячеистых бетонов // Строительные материалы. 1986. №7 с.6-8.

24. Сироткин Б.Я., Петров И.В., Винокуров О.П. Применение неавтоклавного газозолобетона в сельском строительстве // бетон и железобетон. 1988 № 7. С.23024.

25. Рекомендация по изготовлению и применению изделий из неавтоклавного ячеистого бетона. М., Стройиздат, 1986 34 с.

26. Чарыев À.4., Чистов Ю.Д., Волженский A.B. Применение неавтоклавного газобетона из барханного песка // Бетон и железобетон. 1988, № 7, 25026 с.

27. Чистов Ю.Д. Дома из неавтоклавного газобетона // Сельское строительство. 1984. 1984. №10 - 17-18 с.

28. Серых Р.Л., Акимова А.П., Бокова Л.И. Эффективный материал для монолитного домостроения // Бетон и железобетон. 1988. № 7, 22 с.

29. Граф О. Газобетон, пенобетон, легкий бетон. Штутгарт, 1949 - 97 с.

30. A.C. 3 1204602 СССР, МКИ С 04 В 28/02, С 04 В 14/06. Сырьевая смесь для изготовления пенобетона № Г.Д. Дибров, Ю.И. Мустафин, В.А. Мартыненко, В.Г. Величко и др. (СССР) 3 с.

31. Шашков А.Г. Быстросхватывающиеся вяжущие для конвейерной технологии пенобетона. Тез.докл. совещания «Силстром-92». М. 1993, сб.

32. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М., Стройиздат. 1973. 504 с.

33. Коваленко О.Н. Малоклинкерные органоминеральные вяжущие для автоклавного ячеистого бетона. Дис. Канд.техн.наук., М., 1992-201.

34. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. М., Стройиздат. 1979. 343 с.

35. Шейкин А.Е., Олейникова Н.И. Влияние тепловлажностной обработки и тонкости помола цемента на структуру- и свойства цементного камня. М., Стройиздат, 1964, 24 с.

36. Шестоперов C.B. Технология бетона. М., Стройиздат. 1977. 432 с.

37. Vuorinen J. Betonen pakkasenkesta. Vyyskeiden tulksia // Betonituote. 1981. 51 l.P. 36-40.

38. Применение ячеистых бетонов в жилищно-гражданском строительстве. Л., 1991.131

39. Серых Р.Л., Блокова Л.И. Газобетон для монолитного строительства // Развитие производства изделий из ячеистого бетона. Челябинск, 1990.

40. Меркнн А.П. Ячеистые бетоны: научные и практические предпосылки дальнейшего развития, Журнал Строительные материалы, 6, 1996 г.

41. Технология минераловатных теплоизоляционных материалов и легких бетонов. М., 1976 .

42. Эвинг П.В. Экономическая эффективность производства и применения мелких стеновых блоков из ячеистого бетона // Экспресс-информация. М., 1986. Вып. 3. Серия 8, 12 с.

43. Янчукович С. Г. Применение ячеистых бетонов в жилищно-гражданском и сельском строительстве / Экспресс-информация. М., 1985. Вып. 10. Серия 8, 11 с.

44. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей здания. Строй из дат, 1953, 330 с.