автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Фибропенобетон на основе наноструктурированного вяжущего

На правах рукописи -

СИВАЛЬНЕВА МАРИАНА НИКОЛАЕВНА

ФИБРОПЕНОБЕТОН НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ВЯЖУЩЕГО

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

11 ДВГ 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2015

005571350

005571350

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель Строкова Валерия Валерьевна

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты Урханова Лариса Алексеевна

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой производства строительных материалов и изделий ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Тугыгин Александр Сергеевич

кандидат технических наук, заместитель директора по учебной работе Института строительства и архитектуры ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Тверской государственный

технический университет»

Защита состоится «28 » сентября 2015 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242. Телефон д ля справок 8 (4722) 55-95-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайге http://gos att.bstu.ru/dis.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail: gos-att-bgtu@mail.ru.

Автореферат разослан «3» августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г. А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Динамично развивающееся строительство в РФ вызывает необходимость расширения спектра альтернативных видов вяжущих и материалов на их основе. К таким вяжущим относится разработанное ранее бесцементное наноструктурированное вяжущее (НВ) силикатного состава нещцратационного типа твердения с экологически безопасной технологией получения, применяемое для производства материалов различного функционального назначения, и в частности теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения. При масштабировании технологии их производства были выявлены определенные технологические особенности, выраженные в длительном наборе прочности и, как следствие, развитии внутренних дефектов. Известно, что одним из решений данной проблемы в материалах на основе вяжущих гидратационного твердения, например цемента, может служить дисперсное армирование фиброволокнами различной природы, приводящее к интенсификации процесса твердения материалов, повышению структурной стабильности системы с сокращением трещинообразования и деструктивных процессов, а также к улучшению эксплуатационных показателей. В связи с этим актуальным является изучение механизма струкгурообразования на всех технологических этапах и разработка составов фибропенобетона на основе НВ негидратационного типа твердения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного задания и программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова; Российского фонда фундаментальных исследований, договор № 14-33-50399; программы «УЛ1.Н.И.К.».

Степень разработанности темы. Особенности использования фибры в цементных композитах различного функционального назначения описаны в отечественной и зарубежной литературе. В частности, роль фибры при получении пено-бетонных материалов сводится к структурообразованию матричной системы; увеличению скорости формирования упруго-пластичных связей между компонентами твердых частиц; повышению стабильности и устойчивости ячеистой смеси; возможности управления капиллярной пористостью; улучшению эксплуатационных свойств пенобетона. Однако характер влияния фибры на указанные параметры определяется видом вяжущего, и в частности типом его твердения.

Для ячеистых композитов на основе НВ негидратационного типа твердения вопросы, касающиеся дисперсного армирования и его влияния на технологические и эксплуатационные параметры изделий, ранее не рассматривались.

Цель и задачи работы. Разработка теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона на основе НВ силикатного состава с применением фиброволокна различных типов.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- оценка энергетического состояния наноструктурированного вяжущего силикатного состава на различных этапах получения;

— анализ влияния геометрических параметров и состава фибры на характеристики вяжущего и пенобетонных смесей на его основе;

— выбор оптимального способа введения армирующих волокон при производстве фибропенобетона на основе НВ;

— разработка составов и изучение свойств теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона на основе НВ;

— подготовка нормативной документации для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.

Научная новизна работы. Установлен характер влияния микроармирующих компонентов на струкгурообразование минерализованных пен и твердение фибропенобетона на основе НВ негидратационного типа твердения. При введении фибры в пенобетонную смесь формируется минерально-волокнистый каркас, состоящий из волокон, на поверхности которых концентрируются кластеры полидисперсных частиц НВ. Это препятствует разрушению и коалесценции пенных пузырьков, развитию осадочных процессов и снижает синерезис поризо ванных структур. Происходит структурирование матричной системы. Химически несвязанная вода НВ заполняет микроразмерные гаггерстации, сформированные волокнами фибры, при этом за счет создания дополнительных микроканалов увеличивается скорость удаления влаги из системы, что приводит к интенсификации процессов твердения и увеличению плотности и прочности межпоровых перегородок.

Предложен поликонденсациошю-кристашшзационный механизм фазо- и струюурообразования НВ силикатного состава на кварцевой основе, заключающийся в формировании между микро- и наноразмерными частицами кремнезема кристаллических интерфейсов, образование которых происходит за счет осаждения коллоидной составляющей НВ в виде кремниевой кислоты на микрочастицах кварца с последующей кристаллизацией по механизму автоэпитаксиального роста с формированием кварца второй генерации. Твердение сопровождается переходом аморфной составляющей НВ в низкотемпературный а-кварц. Введение базальтовой фибры в матричную систему НВ способствует направленной кристаллизации новообразований за счет реализации структурно сопряженных эпитаксиальных срастаний ультрадисперсных индивидов кварца с наноразмерными кластерами полевых шпатов на поверхности волокна, выступающего в качестве подложки.

Установлена целесообразность использования изобарно-изотермического потенциала в качестве термодинамического критерия оценки энергетического состояния системы силикатного состава на основе кварцевого сырья для снижения энергоемкости получения НВ и материалов на его основе. Показано, что, в зависимости от степени механоактпвации сырья, измените данного параметра для затвердевшего вяжущего имеет симбатный характер и связано с его активностью. Цикличность характера изменений обусловлена переходом из метастабильного состояния в равновесно-устойчивое, достижение которого связано с компенсацией избыточной энергии за счет образования связей физической и химической природы между частицами при автоэпитаксиальной кристаллизации кремнеземной системы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена роль и эффети„осГис ™™ фибры при получении ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на "т сшшкатного состава с учетом негццратационного типа его тведоештя Мтдоадш^ Ютощая фибра на ранней стадии твердения структурирует ма^ицу как а Гоц^се

£ГГВатИ КОаГуЛЯЦ"ОПНОЙ так и в процессе ^шДш^э

способовуегповышешпо устойчивости пеносисгемы, шггснафжащппГце^ сушки и твердения материков и, как следствие, получению ко!™вТшВы-шенными технико-эксплуатационными характеристиками

Предложены составы фибропенобетона на основе НВ (теплоизоляционного и конспрукщюнно-теплоизолящюнного назначения), позволяющие™"« 31^20 ^ уделом прочности при с^Г-Г?.

- Омг^мч'Па);сорбщюнной™ажнос^ю и /1 105 и 3-4,07 (при относительной влажности воздуха 75 и 97 % соответственно); тоштопроводностъю - 0,06-0,10 Вт/(м-°С). В сТтвегспши ™ характеристиками фибропенобегонньте шделия удовлст.оря.от рХва

^^~тДи0Куме1ГГ°В: шркам п° Ш00-°б£'

дениянатснове ~неавтоклавноготвер-

При использовании математического аппарата структурной топологии V™ новлены критические дшшы фибр природного» иевдештого т^исхо^еС" мах^6 ^ МИШШально Допустимый расход при испсшьзовантт в ячеистыхеие^

™^а3раб0тан виртУальнь,й тренажер для изучения реологаческих характашетик разят тчных систем с вязкостью 0,02-1000 Па с, в том числе яченсп « сГесй^ Т™ янияна них добавок различного функционального назначешш '

Методология и методы исследования. Методологической основой диссерта Щш является ко\шлексньш анализ системы «состав (сьфы:)-струтоум (сыпГ^ма

евых и синтезированных материалов определялись в соответствии сога ,3 ньши методиками; качественный и количественный фазовый состав—по ш-тагткр инфракрасной спектроскопии и ретт^азового ана^и"'Гел" = характеристик композ.ттов на основе минеральной в^ ~

жл^геи'п1'С П0МСШ1ЬК) оптической и растровой электрошю^шткроекмшготе-деление и оценка энергетических характеристик исследуемой пЗхнс^ ™ Щего производились с помощью термодинамического зд 3

жй^ м^адюв.1^^11011^ пьшолпялся с П0м01цью признанных реологачеекзк^моде-

Положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение роли и эф-

фективности использования фибры при получении ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на основе НВ силикатного состава;

—характер влияния микроармирукяцих компонентов на структурообразование минерализованных пен и твердение фибропенобетона на основе НВ негидратационного типа твердения;

- поликонденсационно-кристаллизационный механизм твердения силикатного наноструктурировашюго вяжущего на кварцевой основе;

— целесообразность использования изобарго-изотермического потенциала в качестве термодинамического критерия оценки энергетического состояния системы силикатного состава для снижения энергоемкости технологии получения НВ;

- составы и свойства теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона на основе НВ;

— технология производства фибропенобетона на основе НВ. Результаты апробации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается: методически обоснованным комплексом испытаний вяжущего и фибропенобетона с использованием как стандартных средств измерений, так и современного оборудования и методов научных исследований. Полученные результаты не противоречат общепризнанным фактам и работам других авторов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований апробирован в промышленных условиях.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: XV Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2012 г.); XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2012 г.); Ш Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (Москва, 2012 г.); Презентационной сессии в сфере инновационной деятельности для студенческой молодежи «STARTUP ПОИСК» (Белгород, 2013 г.); ХШ Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) (Москва, 2013 г.); Всероссийском конкурсе «Молодежные идеи и проекты, направленные на повышение энергоэффективности и энергосбережения», проводимого в рамках IV Ярославского энергетического форума (Ярославль, 2013 г.); I Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Инновационные материалы и технологии для строительства в экстремальных климатических условиях» (Архангельск, 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Современные строительные материалы, технологии и конструкцию) (Грозный, 2015 г.).

Внедрение результатов исследований. Апробация технологии получения фибропенобетонных блоков на основе НВ в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «БеяЭкоСтрой» Белгородской области. Для внедрения результатов диссертационной работы разработаны следующие нормативные документы: стандарт организации СТО 02066339-022-2014 «Фибропенобетон на

основе наноструктурированного вяжущего. Технические условия»; Технологический регламент на производство микроармированных пенобетонных блоков на основе наноструктурированного вяжущего; Рекомендации по применению фибры при производстве пенобетона на основе наноструктурированного вяжущего.

Теоретические положения и результаты научно-исследовательской работы и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 - «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Наносистемы и трансфер технологий»; магистров по направлению 08.04.01 - «Строительство» профиля «Наносистемы в строительном материаловедении».

Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в 16 научных публикациях, в том числе в 5 статьях в российских рецензируемых научных журналах, в 2 статьях в журналах, индексируемых базой данных Scopus. На рецептуру и способ получения фибропенобетона выдано свидетельство о регистрации ноу-хау № 20150006.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения. Диссертация изложена на 220 страницах машинописного текста, включающего 41 таблицу, 69 рисунков, список литературы из 247 источников, 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В условиях развивающейся строительной отрасли популярностью пользуются ячеистые материалы различного функционального назначения, в том числе теплоизоляционный и конструкционно-теплоизоляционный пенобетон. Востребованность данных материалов обусловлена простотой технологии производства, доступностью сырьевой базы, относительно невысокой себестоимостью и высокими технико-эксплуатационными свойствами.

В качестве способов, повышающих эффективность пенобетонов неавтоклавного твердения, могут рассматриваться различные технологические и рецептурные приемы. Так, характеристики вяжущих веществ во многом предопределяют качество материалов, в связи с чем растет интерес к нетрадиционным видам вяжущих, к которым относится I IB. Улучшение свойств пенобетона на основе НВ силикатного состава возможно за счет дисперсного армирования фиброволокнами различной природы.

В связи с этим рабочей гипотезой исследований стало предположение о том, что применение фибры будет повышать устойчивость поризованной системы, структурировать твердеющую матрицу НВ, интенсифицировать процесс сушки и твердения пенобетона.

В работе для получения вяжущего использовались кварцевый песок Корочан-ского месторождения, жидкое стекло, комплекс модифицирующих компонентов из глины Латненского месторождения, триполифосфата натрия и СБ-5. Сырьем для получения фибропенобетона являлись НВ, комплексный пенообразователь,

состоящий из синтетического Esapon 1214 и протеинового Addiment, эффективность которого доказана в ранее выполненных работах. Микроармирующие компоненты представлены базальтовой и полимерной (тип ВСМ —волокно строительное микроармирующее) фибрами. Для сравнительных исследований дополнительно использовался цемент марки ЦЕМ 1 42,5 Н и целлюлозная фибра Technocel.

Для выявления основных принципов микроармирования в силикатной системе НВ на начальном этапе были рассмотрены особенности структуро- и фазообразо-вания вяжущего. Вяжущие свойства НВ как высокодисперсного материала находятся в зависимости от активности поверхности, которая характеризуется поверхностной энергией системы или её энергетическим состоянием. В связи с этим для выявления рационального времени помола определялось энергетическое состояние НВ на различных технологических этапах его получения. Пробы вяжущей суспензии отбирались через каждые два часа, но так как время помола определяется габаритами и мощностью помольного агрегата, то целесообразнее представлять данные в процентах от общего времени механоактивации, т.е. 14, 28,42, 56, 70, 85 и 100 %. При определении гранулометрического состава проб вяжущего использовался комплексный подход, основанный на применении анализаторов частиц грубо- и тонкодисперсных фракций (рисунок 1). Анализ результатов позволил отметить смещение размеров частиц в область более малых значений, а именно 1 -50 мкм. Поскольку наличие частиц наноразмерного уровня доказано ранее, то исследование дисперсности в области менее 100 нм, требующего выделения центри-фугатной пробы, не являлось целью данного этапа работы. Частицы размером 0,5— 1 и 500-1000 мкм не зафиксированы. Концентрация частиц в диапазоне 300-500 мкм незначительна и присутствует лишь в пробах 28 и 56 %. Поэтому для более наглядного отображения результатов на диаграмме (рисунок 1, а) данные диапазоны не указаны.

„. <« 'Ü. «О

Ши

---ж ■ JZSXZ - я»

в « и ***

HpcMcimofl интермл помола. *. ю «о Временной интервал помола. %

а 6

Рисунок 1 - Распределение по размерам частиц вяжущей системы в зависимости от времени отбора проб: а - грубодисперсных, б - тонкодисперсных фракций

Следует отметить, что в течение всего цикла помола частицы кварцевого песка имеют близкий диапазон распределения по размерам, что обусловлено постадий-ной динамикой. Активная удельная поверхность НВ на различных стадиях помола, значения которой находятся в диапазоне 6600-8400 м2/кг, как и гранулометрический состав, имеет колебательный характер, что объясняется постадийностью помола. При получении НВ с оптимальными вяжущими свойствами системы и

максимальными прочностными характеристиками композитов на его основе необходимо достичь полидисперсности системы с превалирующим содержанием частиц размером 1-5 мкм и содержанием нанодисперсного и коллоидного вещества до 10 % от общей доли твердой фазы.

Термодинамический подход при определении энергетического состояния кварцевого вяжущего был реализован за счет измерения краевого угла смачивания поверхности высушенного вяжущего на границе раздела фаз, по которому рассчитывалась величина поверхностного натяжения. Для исследований в качестве рабочих жидкостей были выбраны вода, этиленгликоль, декан, этанол.

Определение энергетического состояния осуществлялось методом ОВРК (метод Оунса, Вендта, Рабеля и Кьельбле), при котором учитывались полярная и дисперсионная составляющие материалов. Математическая зависимость данного метода представлена следующим уравнением:

а, (созб>+1) -¡[стЦ -¡о',' гДе ~ поверхностное натяжение рабочих жидкостей;

= ' а' — дисперсионная составляющая поверхностного натя-

жения рабочих жидкостей; — полярная составляющая

о

поверхностного натяжения рабочих жидкостей; 5 - дисперсионная составляющая

р

поверхностного натяжения исследуемого материала; 5 — полярная составляющая поверхностного натяжения исследуемого материала; в- краевой угол смачивания исследуемого материала.

Полученные данные позволили рассчитать величину изменения изобарно-изотер-мического потенциала (энергии Гиббса Д03) поверхности кварцевого вяжущего относительно первого выбранного временного интервала (14 % помола) по уравнению Л0.5=Л<%+о;,7я (Зкч/З^.

Установлено, что максимальное положительное значение изменения энергии Гиббса имеет система после 28 и 70 % помола (рисунок 2), что свидетельствуют о стабилизации системы и завершении процессов механоактивации наряду с усилением вяжущих свойств. Минимумы энергии Гиббса совпадают с этапами дозагрузки сырья и приводят к формированию условий для его дальнейшей трансформации.

Для выявления зависимостей перераспределения связей физической и химической природы представлена взаимосвязь отношения полярной составляющей поверхностного натяжения к дисперсионной ((//с13) и времени помола вяжущего (рисунок 3). При этом временной период помола 56-70 % характеризуется значительным увеличением влияния на структуризацию системы химического взаимодействия.

Нрь'ЧСШШК ИНТСрНЦЛ НОМОМ "«

Рисунок 2 - Влияние времени помола вяжущего на значение изобарно-изотермического потенциала

Временной интервал помола, % Рисунок 3 - Влияние времени помола на отношение (У/а0

В итоге энергетическое состояние затвердевшей системы НВ возможно перенести на суспензированное вяжущее. Оценка энергетического состояния НВ позволила найти переходную стадию помола, при которой материал уже достиг высокого значения активности и его дальнейшая механоактивация нецелесообразна. Наиболее активным состоянием система характеризуется при продолжительности помола более 56 % от всего цикла. Методика может быть применима для оценки качества дисперсного минерального сырья при получении вяжущего, а также прогнозирования длительности и энергоэффективности механоактивационных процессов его получения на основе конкретного вида сырья. Повышение эффективности технологического процесса позволяет снизить энергоемкость производства вяжущего и соответственно композиционных материалов на его основе.

В связи с недостаточной изученностью вопроса, касающегося механизма твердения НВ, для уточнения (подтверждения либо опровержения данного механизма) в работе проведены исследования по изучению кинетики фазообразования в системе НВ на основе кварца. В ходе проведения анализа рентгено-дифракционных и ИК-спектров затвердевшего вяжущего было определено, что при высыхании (испарении воды) и дальнейшем твердении НВ происходит снижение количества рентгеноаморфной фазы с 16,2 % при четырех часах твердения до полного исчезновения после семи суток набора прочности при ее одновременном росте до максимального значения.

Целесообразно представить зависимость набора прочности от инвариантного, относительно условий среды твердения, параметра - концентрации кристаллической или аморфной фазы материала при различных временных пределах механо-активации (рисунок 4). ИК-спектр НВ 70 % помола после 24 часов твердения идентичен спектру а-кварца (рисунок 5), что подтверждает предположение о кристаллизации кварцевого НВ в результате твердения.

Е 3,25

о" 2.75

§

8 ..75

= 1,25

Ь 0.75 "

J=. 92,00 93,00 94,00 95,00 96.00 97,00 98,00 99.00 100,00

Концентрация кристаллического а-кварца. % о Ш> 70 % помола • IIB 28 ".помола

Рисунок 4 — Зависимость набора прочности НВ при твердении от концентрации кристаллического а-кварца

2100 2400

Рисунок 5 — Совпадение ИК-спектров НВ 70 % помола и 24-часового твердения со спектром а-кварца

В связи с представленными данными можно утверждать, что твердение НВ кварцевого состава происходит по поликонденсационно-кристаллизационному механизму с переходом рентгеноаморфной коллоидной составляющей (кремне-кислоты и нанодисперсного компонента) в кристаллизационную фазу (низкотемпературный а-кварц), который обусловлен автоэпитаксиальным ростом кварца второй генерации.

Следующим этапом работы являлась разработка микроармированного пенобетона. С помощью методов структурной топологии рассчитаны: критическая длина волокна фибр природного и искусственного происхождения, которая при условии равномерного распределения по объему композита составила менее 1 мм, и минимальный расход волокна - диапазон от 0,03 до 0,35 мае. %.

Изучение кинетики сушки армированного НВ в естественных условиях и при мягком тепловом режиме (40 °С) позволило определить, что фибра способствует интенсификации процессов твердения на ранних стадиях и сокращению всего периода.

Для раскрытия принципа действия волокна предложена модель армирования силикатного НВ с учетом негидратационного типа его твердения. В системе НВ (рисунок 6) при введении фибры происходит формирование перколяционных кластеров, организованных волокнами / и адсорбированными на их поверхности частицами вяжущего 2. Фибра образует микроразмерные интер-стиции 3 (пустоты), заполненные водной средой с низкой концентрацией кремнеземистого компонента. При этом химическая связь минеральных частиц вяжущего и водной составляющей отсутствует. Таким образом, армированные смеси НВ — перколяционные структуры с микроканалами протекания воды, через которые происходит активное удаление влаги. Представленная модель объясняет сокращение времени сушки и раскрывает структурообразующую роль фибры в вяжущей системе негидратационного типа твердения.

Фибра оказывает влияние на физико-механические характеристики НВ, заключающееся в повышении предела прочности при сжатии с незначительными изменениями прочности на изгиб. Разрушение армированных образцов вяжущего носит пластический характер, что является положительным фактором безопасности.

Повышение прочностных характеристик НВ нашло объяснение в микроструктурных исследованиях армированного вяжущего. Выявлена степень адгезии вяжущего к поверхности волокна: в случае использования фибры ВСМ взаимодействие с матричной системой проявляется в меньшей степени и вызвано механическим сцеплением. Иной принцип отмечается в случае с базальтовой фиброй, имеющей стеклообразное строение и состав: кварц-5,07; плагиоклаз - 62,74; ортоклаз-9,34; гиперстен - 10,83; гематит - 9,50; сфен - 1,21; рутил - 0,68 (вес. %)'. Основное количество наноразмерных алюмосиликатных кластеров представлено полевыми шпатами. За счет этого наблюдается структурно сопряженное эпитаксиальное срастание наноразмерных индивидов кварца с наноразмерными кластерами полевых шпатов на поверхности фибры, выступающей в качестве подложки.

Рисунок 6 - Модель микроармированной системы НВ

' Данные получены с помощью программы РйгоЕхрЬгег у.2.0 по алгоритму С1Р\¥ - метод петрохи-мического пересчета химического анализа горных пород на «нормативный» (гипотетический) минеральный состав.

Предполагается, что достигнутые положительные результаты взаимодействия НВ и фибры будут перенесены на пенобетонные композиты на его основе.

Теоретические и экспериментальные исследования способов введения армирующих компонентов в ячеистые системы на основе НВ с учетом равномерности распределения и технологичности позволили выявить наиболее эффективные и проранжировать их по степени повышения: введение фибры в пену —► пеномас-су —*■ водный раствор пенообразователя.

Наблюдения под микроскопом за пенными и минерализованными структурами в присутствии фибры с течением времени позволили выявить, что её применение в ячеистых бетонах позволяет стабилизировать пеномассу за счет предотвращения процессов коапесценции и синерезиса пенных структур, осадки пенобе-тонной смеси. При этом состав фибры не оказывает существенного влияния на структурообразующие процессы.

С целью подтверждения положительных результатов взаимодействия вяжущего и микроармирующего компонента на конечные свойства изделий были разработаны составы фибропенобетона на основе НВ и изучены основные эксплуатационные характеристики в соответствии с нормативными требованиями.

Анализ реотехнологических зависимостей позволил определить, что влияние фибры на пенобетонные смеси с применением НВ не является существенным. Максимальное снижение первоначальной вязкости на 15 % относительно неарми-рованного состава наблюдается лишь у составов с базальтовой фиброй длиной 6 мм. Таким образом, эффект загущения, выявленный ранее при исследовании микроармированного НВ, сводится к минимуму, что обусловлено пластифицирующим действием пенообразователя, незначительным объемом волокнистых составляющих в системе и высокой естественной подвижностью вяжущего. Тиксо-тропный характер течения ячеистой смеси на основе НВ, а также возможность применения фибры без потери требуемой вязкости и пластичности системы имеет важное практическое значение при выполнении различных технологических операций.

С учетом особенностей вяжущего и характера влияния фибры органической и неорганической природы были предложены составы фибропенобетона. Определено, что наилучшими физико-механическими характеристиками обладают образцы с базальтовой фиброй при длине волокна 12 мм и с полимерной фиброй В СМ при длине 6 мм, расход в обоих случаях составил 0,2 % от массы вяжущего по сухому веществу (рисунок 7).

На полученных рациональных составах подтверждено интенсифицирующее влияние фибры на процессы твердения пенобегонных композитов на основе НВ в естественных условиях и при дополнительной тепловой обработке (40 °С). Интенсивность этого влияния зависит от состава и длины армирующего компонента. Проанализированные виды фибры можно проранжировать по степени повышения их эффективности с точки зрения сокращения времени сушки в такой последовательности: В СМ длиной 12 мм (сушка сокращается на 20 %) —> В СМ длиной 6 мм

(на 25 %) —► базальтовая фибра длиной 6 мм (на 30 %) -ной 12 мм (на 35 %).

• базальтовая фибра дли-

Количестм) фибры.

прочности —ПЛОТНОСТЬ

Количест 1К> фибры.'

■■ Прочность ^ Пло

Рисунок 7 - Физико-механические характеристики фибропенобетона на основе НВ: а—с базальтовой фиброй (12 мм); б - с фиброй ВСМ (6 мм)

Качество фибропенобетонных композитов оценивается состоянием структуры материала в зонах контакта «матрица - волокно» и порового пространства (рисунок 8). Характер сцепления компонентов следующий: полимерная фибра ВСМ имеет слабую степень контакта с основной матрицей, вызванную механическим сцеплением, что компенсируется более глубоким проникновением раствора при упрочнении химическим активированием контактных связей (УХАКС); базальтовая фибра проявляет высокую степень взаимодействия за счет химического сродства, что приводит к формированию кристаллических новообразований по механизму эпитаксиапьного роста. В результате формируется рациональная пористая структура материала с улучшенными эксплуатационными и теплоизолирующими характеристиками.

а б

Рисунок 8 - Характер контакта фибры с затвердевшим вяжущим и микроструктура межпоровой перегородки фибропенобетона: а—с ВСМ; б- с базальтовой фиброй

В результате были выявлены рациональные составы фибропенобетона плотностью 315-620 кг/м3; пределом прочности при сжатии - 1,01-2,97 МПа; теплопроводностью -0,06-0,10 Вт/(м-°С). При этом полученные изделия соответствуют требованиям ГОСТ 25485-89: маркам по плотности ЭЗОО-ВбОО, классам по прочности В0,75-В2 и маркам по морозостойкости Р25-Р35 (для конструкционно-теплоизоляционных) (таблица 1).

00 и» | Конструкционно-теплоизоляционный \ -Ь. со ю - Теплоизоляционный а ^

91,99 90,56 91,99 90,56 88,49 85,37 88,49 85,37 Наноструктурирован-ное вяжущее Состав. % |

0,21 0,23 о ы 0,23 0,25 0,28 0,25 0,28 Пенообразователь

у» 6,80 и» О 6,80 ОО 10,57 ОО 10,57 Вода

Хо ю 2,27 Хо ю 2,27 2,77 3,56 2,77 3,56 Жидкое стекло

1 р "ю 1 о "м Фибра БФ 12 мм*

р 1 р 1 Фибра ВСМ-6*

СГ\ 1л о о ю о о ■и о СМ Оч и> 3 Плотность, кг/м Свойства |

Б600 0500 0600 0500 0400 озоо Э400 озоо Марка по плотности

2,86 2,13 2,97 2,25 Хл о ОО о СП Предел прочности при сжатии, МПа

И ю В1,5 » ы В1,5 ю ВО,75 И ВО,75 Класс по прочности

0,10 0,09 р о 0,09 0,07 0,07 0,06 0,06 Теплопроводность, (Вт/м-°С)

и» к» и> N1 и! Не нормируется Морозостойкость, циклы

Т) и» -Г) К> и» ч и» и« ■ч ю Марка по морозостойкости

н

¡а о»

Ь

В аз

I

"О

о ж

В" X

ч р

со £ ■в* к ст\ "О о га п> Ж о о\

е

X 0>

ж р

о о X О а о

Я О и

а г

ё •а

■а

К о

4 к ж

5

И

С учетом специфики НВ исследованы тепловлажностные характеристики фибропенобетона на примере изделий марки 0500. Установлено, что паропроницае-мость превосходит показатели, которые приводит ГОСТ 25485-89, на 20 %, сорб-ционная влажность при относительной влажности воздуха 75 % в 8 раз ниже, чем у неавтоклавного пенобетона на основе цемента, и в 1,5 раза ниже, чем у автоклавного газобетона. Показатель капиллярного всасывания имеет средние значения, что является оптимальным для ячеистых бетонов выбранной плотности. Низкие значения теплопроводности фибропенобетона на НВ как в сухих, так и во влажных условиях позволяют его рекомендовать для эксплуатации в зонах А и Б. Таким образом, разрабатываемый материал удовлетворяет требованиям нормативной документации, а при сравнении с ближайшими аналогами характеризуется улучшенными показателями тепловлажностных свойств.

В рамках диссертации разработан виртуальный тренажер для изучения реологических характеристик различных систем с вязкостью 0,02-1000 Пах, в том числе ячеистых смесей.

Предложена технология производства фибропенобетона неавтоклавного твердения с совместным получением НВ силикатного состава, внедрение которой не требует существенного изменения в действующих линиях по выпуску пенобетона.

Экономическая эффективность технологии производства фибропенобетона складывается из снижения энергозатрат при помоле вяжущего на 30 %, сокращения времени сушки на 20-35 % и, как следствие, повышения оборачиваемости форм. Также применение фибры снижает процент брака за счет улучшения геометрии готовых изделий, реализация производства НВ и пенобетона на одном предприятии позволяет использовать вяжущее по себестоимости. При сравнении с фибропенобетоном на цементе эффективность повышается до 30 %.

Апробация результатов в промышленных условиях осуществлена на предприятии ООО «БелЭкоСтрой» (Белгородская область) при производстве опытной партии фибропенобетонных блоков на основе НВ силикатного состава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена роль и эффективность использования фибры при получении ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на основе НВ силикатного состава с учетом негидратационного типа его твердения. Микроармирующая фибра на ранней стадии твердения структурирует матрицу как в процессе формирования коагуляционной структуры, так и в процессе кристаллизации. Это способствует повышению устойчивости пеносистемы, интенсификации процесса сушки и твердения материалов и, как следствие, получению композитов с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками.

Установлен характер влияния микроармирующих компонентов на структуро-образование минерализованных пен и твердение фибропенобетона на основе НВ негидратационного типа твердения. При введении фибры в пенобетонную смесь

формируется минерально-волокнистый каркас, состоящий из волокон, на поверхности которых концентрируются кластеры полидисперсных частиц НВ. Это препятствует разрушению и коалесценции пенных пузырьков, развитию осадочных процессов и снижает синерезис поризованных структур. Происходит структурирование матричной системы. Химически несвязанная вода НВ заполняет микроразмерные интерстиции, сформированные волокнами фибры, при этом за счет создания дополнительных микроканалов увеличивается скорость удаления влаги из системы, что приводит к интенсификации процессов твердения и увеличению плотности и прочности межпоровых перегородок.

Предложен поликоцденсационно-кристаллизационный механизм фазо- и структурообразования НВ силикатного состава на кварцевой основе, заключающийся в формировании между микро- и наноразмерными частицами кремнезема кристаллических интерфейсов, образование которых происходит за счет осаждения коллоидной составляющей НВ в виде кремниевой кислоты на микрочастицах кварца с последующей кристаллизацией по механизму автоэпитаксиального роста с формированием кварца второй генерации. Твердение сопровождается переходом аморфной составляющей НВ в низкотемпературный а-кварц. Введение базальтовой фибры в матричную систему НВ способствует направленной кристаллизации новообразований за счет реализации структурно сопряженных эпитаксиальных срастаний ультрадисперсных индивидов кварца с наноразмерными кластерами полевых шпатов на поверхности волокна, выступающего в качестве подложки.

Установлена целесообразность использования изобарно-изотермического потенциала в качестве термодинамического критерия оценки энергетического состояния системы силикатного состава на основе кварцевого сырья для снижения энергоемкости получения НВ и материалов на его основе. Показано, что, в зависимости от степени механоактивации сырья, изменение данного параметра для затвердевшего вяжущего имеет симбатный характер и связано с его активностью. Цикличность характера изменений обусловлена переходом из метастабильного состояния в равновесно-устойчивое, достижение которого связано с компенсацией избыточной энергии за счет образования связей физической и химической природы между частицами при автоэпитаксиальной кристаллизации кремнеземной системы.

С помощью математического аппарата структурной топологии установлены критические длины фибр природного и искусственного происхождения, а также их минимально допустимый расход при использовании в ячеистых системах.

Предложены составы фибропенобетона на основе НВ (теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения), позволяющие получить материалы плотностью 315-620 кг/м3; пределом прочности при сжатии — 1,012,97 МПа; паропроницаемостью-0,23-0,25 мг/(м-ч-Па); сорбционной влажностью — 0,71-1,05 и 3^1,07 (при относительной влажности воздуха 75 и 97 % соответственно); теплопроводностью - 0,06-0,10 Вт/(м-°С). В соответствии с полученными характеристиками фибропенобетонные изделия удовлетворяют требованиям нормативных документов: маркам по плотности ЭЗОО-ОбОО, классам по прочности ВО,75—В2 и маркам по морозостойкости Р25-Р35 (для конструкционно-

теплоизоляционных).

Предложена неавтоклавная технология производства фибропенобетона на основе HB кварцевого состава. Для внедрения результатов исследования был разработан ряд нормативных документов, в том числе рекомендации по применению фибры, технологический регламент на производство фибропенобетонных блоков и стандарт организации, отражающий технические требования к фибропенобетону на основе HB. Внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс осуществляется при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий для бакалавров и магистров по направлению «Строительство».

Исследования фибропенобетонных изделий и апробация в полупромышленных условиях производились как на базе опытно-промышленного участка БГТУ им. В.Г. Шухова — Опытно-промышленного цеха наноструктурированных композиционных материалов и ООО «ПенЭко», так и в условиях реального производства на базе ООО «БелЭкоСтрой», где была выпущена опытная партия блоков. Экономическая эффективность разработанной технологии производства фибропенобетона складывается из снижения энергозатрат при помоле вяжущего на 30 %, сокращения времени сушки за счет вводимой фибры до 35 % и, как следствие, повышения оборачиваемости форм; помимо этого дисперсное армирование приводит к снижению процента брака за счет улучшения геометрии готовых изделий.

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для внедрения на предприятиях по производству изделий из ячеистого бетона неавтоклавного твердения в различных регионах РФ, а также в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Строительство», «Материаловедение и технология материалов».

Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в направлении:

— расширения спектра используемых сырьевых материалов, а именно различных видов фибры и пород силикатного и алюмосиликатного состава при получении HB;

— расширения номенклатуры фибропенобетонных композитов за счет получения изделий с более низкой плотностью с сохранением прочностных показателей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В российских рецензируемых научных изданиях

Х.Па&ченко, Н.В. Эффективность применения наноструктурированного вяжущего при получении ячеистых композитов / Н.В. Павленко, В.В. Строкова, A.B. Череватова, И. В. Жерновский, В.В. Нелюбова, М.Н. Капуста // Строительные материалы. - 2012. -№ 6. - С. 10-12 (ИФ - 0,390).

2. Патенко, Н.В. Особенности армирования ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на основе наноструктурированного вяжущего / Н.В. Павленко, М.Н. Капуста, Е.В. Мирошников // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2013. — № 1. - С. 33-36 (ИФ - 0,362).

3. Строкова, В.В. Принципы получения ячеистых фибробетонов с применением наноструктурированного вяжущего / В.В. Строкова, Н.В. Павленко,

М.Н. Капуста // Academia. Архитектура и строительство. -2013. - № 3. - С. 114117 (ИФ- 0,133).

4. Нелюбова, В.В. Особенности наноструктурированного вяжущего в зависимости от генезиса сырья / В.В. Нелюбова, В.А. Кобзев, М.Н. Сивальнева, И.И. Подгорный, Ю.В. Пальшина // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2015. -№ 2. - С. 15-18 (ИФ - 0,362).

5. Строкова, В.В. Оценка активности нанострутаурированных вяжущих термодинамическим методом / В.В. Строкова, A.M. Айзенштадг, М.Н. Сивальнева, В.А. Кобзев, В.В. Нелюбова // Строительные материалы. - 2015. - № 2. - С. 3-9 (ИФ-0,390).

В гаданиях, индексирующихся в базе Scopus

6. Kapusta, M.N. Kinetics of mechanical activation during the manufacturing process of nanostructured binders / M.N. Kapusta, V.A. Kobzev, V.V. Nelubova // Applied Mechanics and Materials. - Vol. 670 (2014). - P. 412-416. http://doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.670-671.412

7. Pavlenko, N. V. About Application Prospectivity of Rocks with Different Geological and Morpho-logical Features as Basic Raw Component for Free-Cement Binder Production / N.V. Pavlenko, V.V. Strokova, M.N. Kapusta, D.D. Netsvet // Applied Mechanics and Materials. - Vol. 670 (2014). - P. 462-465.

http://doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.670-671.462

В других гаданиях

8. Капуста, М.Н. Повышение эффективности поризованных композитов на основе наноструктурированного вяжущего / М.Н. Капуста, Д.Д. Нецвет, И. А. Дягель, Д.Н. Любимов // Технологии бетонов. - 2013. - № 3. - С. 32-33.

В сборниках трудов конференций

9. Капуста, М.Н. Микроармированные поризованные композиты на основе наноструктурированного вяжущего / М.Н. Капуста // сб. докл. III Межцунар. семинара-конкурса молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей. - СПб: АлитИнформ, 2012.-С. 58—61.

10. Капуста, М.Н. Предотвращение образования усадочных трещин в пенобетоне на основе наноструюурированного вяжущего / М.Н. Капуста // сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых БГТУ им. В .Г. Шухова. - Белгород: Изв-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. - С. 541-544.

11. Павленко, Н.В. Влияние технологических аспектов получения наноструктурированного вяжущего на процесс структурообразования материалов на его свойства / Н.В. Павленко, М.Н. Капуста, М.С. Осадчая, Д.Н. Любимов // Проблемы инновационного биосферно-совместного социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: сб. материалов 3-й Междунар. науч.-практ. конф., Брянск, 9-10 апр. 2013 г. - Брянск: Изд-во БЦНЩ2013.-Т.1.-С. 142-145.

12. Капуста, М.Н. Обоснование реализации постадийного помола при получе-

нии наноструктурированного вяжущего / М.Н. Капуста, E.H. Чикилева // Экспериментальная минералогия, петрография и геохимия: сб. материалов IV Всерос. школы молодых ученых, Чернологовка, 22-23 окт. 2013 г. - Черноголовка, 2013.— С. 18-20.

13. Капуста, М.Н. Перспективность применения различных видов природного и техногенного сырья при получении наноструктурированного вяжущего / МЛ. Капуста, Д. Д. Нецвет, В А. Кобзев, E.H. Чикилева // Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение: сб. материалов Ш Всерос. науч.-пракг. конф., Якутск, 3-4 марта 2014 г. -Киров: МЦНИП, 2014. - С. 274-278.

14. Сивальнева, М.Н. Современные способы повышения эффективности неавтоклавных пенобетонов / М.Н. Сивальнева // Наукоемкие технологии и инновации» (XXI научные чтения): сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летаю БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 9-10 окт. 2014 г. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014. -Ч. 3. - С. 331-335.

15. Сивальнева, М.Н. К вопросу об эффективности алюмосиликатных пород при получении наноструетурированных вяжущих / М.Н. Сивальнева, В .А. Кобзев, Н.В. Павленко, А.М. Айзенштадг // Инновационные материалы и технологии для строительства в экстремальных климатических условиях: сб. материалов I Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Архангельск, 2-4 дек. 2014 г. - Архангельск: Идз-во САФУ, 2014. - С. 156-161.

16. Кобзев, В А. Особенности кинетики получения наноструктурированного вяжущего на основе сырья различного генезиса / В.А. Кобзев, Н.В. Павленко, М.Н. Сивальнева, М. А. Деречина // Современные строительные материалы, технологии и конструкции: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. ак. М.Д. Миллионщикова», Грозный, 24-26 марта 2015 г. - Грозный: ИПК «Грозненский рабочий», 2015. - Т. 2. - С. 64-69.

Полученные объекты интеллектуальной собственности

17. Ноу-хау № 20150006. Способ получения фибропенобетона на основе бесцементного вяжущего / В.В. Строкова, М.Н. Сивальнева, Н.В. Павленко; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 06.05.2015. Срок охраны: 5 лет.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность сотрудникам кафедры материаловедения и технологии материалов БГТУ им. В.Г. Шухова за помощь при консультации и обсуждении результатов работы.

СИВАЛЬНЕВА МАРИАНА НИКОЛАЕВНА

ФИБРОПЕНОБЕТОН НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ВЯЖУЩЕГО

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.07.15. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46