автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Фиброцементные плиты на смешанном вяжущем

На правах рукописи

005019508 п /

МУХА МЕТР АХИМОВ РУСТЕМ ХАНИФОВИЧ

ФИБРОЦЕМЕНТНЫЕ ПЛИТЫ НА СМЕШАННОМ ВЯЖУЩЕМ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР 2012

Казань-2012

005019508

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

доктор технических наук, профессор Изотов Владимир Сергеевич

Недосеко Игорь Вадимович,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный не тяной технический университет», профессор 1 федры «Строительные конструкции»

Халиуллнн Марат Ильсурович,

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Казанский государственный а хитектурно-строительный университет», доце кафедры «Строительные материалы», начальн управления научно-исследовательской деяте: ностью

ЗАО «ВНИИСТРОМ им. Петра Петровича Будникова»

Защита состоится «14» мая 2012 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 при Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «/(?» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Абдрахманова Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время, несмотря на экономический кризис, в стране сохраняются достаточно высокие темпы строительства зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения. Вместе с тем, значительная доля зданий, имеющих длительный срок эксплуатации, не отвечают современным теплотехническим и эстетическим требованиям. Для отделки фасадов вновь возводимых, а также при утеплении реконструируемых зданий большое применение находят вентилируемые фасадные системы, использование которых позволяет восстановить старые фасады и придать им более современный внешний вид. В качестве облицовочного материала в таких системах применяются различные материалы: керамогранит, алюминиевые панели, полимерные материалы, фиброцементные плиты (ФЦП) и др. Однако большинство из них ввозятся из других стран, отличаются высокой стоимостью и не всегда могут быть применены для строительства в наших погодных условиях.

Наиболее распространенным и доступным облицовочным материалом среди отечественных являются ФЦП на основе асбестовых волокон. Однако спрос на данные изделия ежегодно снижается. Связано это главным образом с распространяющимися сведениями о канцерогенное™ асбеста.

В этой связи актуальным становится вопрос разработки нового эффективного облицовочного материала на основе экологически чистого сырья невысокой стоимости, способного обеспечить надежность, долговечность и энергоэффективность эксплуатации зданий с возможностью внедрения на типовых линиях по производству асбестоцементных плит с максимальным использованием имеющегося оборудования. Одним из таких материалов являются ФЦП на основе целлюлозных волокон. Процесс их производства аналогичен асбестоце-ментным плитам. Фактически асбестоцементные плиты являются фиброце-ментными, однако на рынке России под ФЦП наиболее часто понимают плиты без содержания асбеста.

К недостаткам существующих ФЦП на основе целлюлозных волокон следует отнести малую прочность, высокое водопоглощение и низкую морозостойкость. В этой связи особую актуальность приобретают работы, направленные на решение вопросов повышения качества и долговечности ФЦП на основе целлюлозных волокон.

Цель работы - разработать составы фиброцементных плит на основе целлюлозных волокон с повышенными физико-механическими свойствами и долговечностью.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработать оптимальный состав модифицированного смешанного вяжущего для фиброцементных плит на основе портландцемента, молотого кварцевого песка и активной минеральной добавки.

2. Изучить зависимости водопотребности вяжущего, физико-механических свойств ФЦП на его основе от состава вяжущего, вида и количества целлюлозных волокон.

3. Модифицировать состав смешанного вяжущего оптимального состава

химическими добавками для повышения плотности, ударной вязкости, морозостойкости и водонепроницаемости фиброцементных плит.

4. Оптимизировать режим автоклавной обработки фиброцементных плит на основе модифицированного смешанного вяжущего.

5. Провести опытно-промышленную проверку результатов исследования и оценить технико-экономическую эффективность разработанных составов.

Научная новизна работы:

1. Получены новые данные об особенностях формирования микро- и макроструктуры ФЦП в зависимости от состава модифицированного смешанного вяжущего: (вид и количество активной минеральной добавки, дозировки флокулянта и кремнийорганического соединения), заключающиеся в пониженном содержании свободного Са(ОН)2, высокоосновных гидросиликатов кальция (C2SH2), гидроалюмината кальция (С3АНб) и повышенном содержании низкоосновных форм гидросиликатов и гидроалюминатов, формировании более плотной и однородной структуры ФЦП с повышенными физико-механическими свойствами и долговечностью.

2. Впервые выявлена эффективность водонерастворимого кремнийорганического соединения «ФЭС-50» для объемной и поверхностной гидрофобиза-ции ФЦП на основе целлюлозных волокон и модифицированного смешанного вяжущего, твердеющих при автоклавной обработке.

3. Впервые исследовано влияние степени ионного заряда и молекулярной массы полиакриламида на кинетику гидратации смешанного вяжущего и скорость осаждения фиброцементной суспензии. Показано, что с увеличением степени ионного заряда и молекулярной массы полиакриламида происходит ускорение процесса гидратации смешанного вяжущего, увеличение скорости осаждения фиброцементной суспензии и повышение предела прочности при изгибе ФЦП на 15%.

Практическая значимость работы:

1. Разработан оптимальный состав модифицированного смешанного вяжущего для фиброцементных плит, отличающийся следующими физико-механическими характеристиками: предел прочности при изгибе - 27,5 МПа, морозостойкость - 250 циклов, водопоглощение - 3%, ударная вязкость - 2,5 кДж/м".

2. Получены ФЦП с высокими физико-механическими параметрами и долговечностью при сокращении энергозатрат автоклавной обработки на 15-20%.

Реализация работы. Осуществлен выпуск опытно-промышленной партии фиброцементных плит на основе модифицированного смешанного вяжущего на предприятии ОАО «ЛАТО» (Республика Мордовия). Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство» в рамках дисциплины «Технология строительных процессов», а также на курсах повышения квалификации инженерно-технических работников строительной отрасли Республики Татарстан.

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечиваются большим объемом экспериментальных дан-

ных, полученных современными методами испытаний и исследований (РФА, ДТА, электронно-растровая микроскопия, ИК-спектроскопия), корреляцией экспериментальных результатов, полученных разными независимыми методами и статистической обработкой результатов исследований.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (Казань: КГАСУ, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); XV академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань: КГАСУ, 2010); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов: СГТУ, 2010); Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань: КГТУ, 2011); П Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (Москва: Экспоцентр, 2011); научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города» (Казань, 2011).

Работа отмечена Дипломом лауреата конкурса молодых ученых на XV академических чтениях РААСН (2010), Дипломом VI конкурса «50 лучших инновационных идей для РТ» (2010), Дипломом II степени на Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (2011), стипендиями Мэра г.Казани и Президента РФ (2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ (в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 научные статьи). Поданы 2 заявки на изобретение: «Фиброцементная смесь» (№ 2012101728 от 18.01.2012) и «Гидрофобизирующий состав для пропитки фиброцементных изделий и способ его нанесения» (№ 2011145985 от 11.11.2011).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 192 наименований и приложений. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включает 40 таблиц, 37 рисунков.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Изотову B.C. за консультативную помощь при выполнении работы, а также коллегам по кафедре ТОМС за доброжелательность и постоянное внимание к работе.

На защиту выносятся:

• результаты исследования влияния наиболее эффективных активных минеральных добавок (алюмосиликат, биокремнезем, диатомит, доменный шлак, каолин, трепел и ферросилиций), флокулянтов (полиакриламид Besfloc К4000, Besfloc К4032, Besfloc К4034, Besfloc K4041, Besfloc K4046 и Nalco 9601) и кремнийорганических соединений (ГКЖ-11К и ФЭС-50) на свойства цементного теста, гидратацию вяжущего и физико-механические свойства фиброцементных плит;

• результаты исследований оптимизации состава модифицированного смешанного вяжущего для получения фиброцементных плит, отличающихся

повышенной прочностью и долговечностью;

• результаты оптических, дифференциально-термических, рентгеност-руктурных и инфракрасно-спектроскопических исследований структуры модифицированного смешанного вяжущего;

• результаты оптимизации режима автоклавной обработки фиброце-ментных плит, позволяющие сократить энергозатраты на 15-20%.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе представлен анализ литературных данных о направлениях и методах повышения физико-механических свойств и долговечности ФЦП, позволяющий сформулировать основные направления исследований, обосновано применение модифицирующих добавок в производстве ФЦП.

Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов, дано описание инструментальной базы и методов исследования.

При проведении экспериментальных исследований в качестве основных исходных компонентов использовались:

- портландцементы марок ПЦ500Д0 (ЦЕМ I 42,5Н) производства ОАО «Вольскцемент» и ПЦ400Д20 (ЦЕМ П/А-К (Ш-П) 32,5 Н) производства ОАО «Ульяновскцемент»;

- в качестве мелкого заполнителя - молотый песок Камско-Устьинского месторождения, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-93;

- в качестве волокнистого материала - целлюлоза хвойная сульфатная небеленая марки НСК-0 производства ОАО «Соломбальский ЦБК» по СТО 00279189-2-2007;

- активные минеральные добавки (АМД) природного и искусственного происхождения: отработанный катализатор нефтехимического синтеза (алюмосиликат), биокремнезем, диатомит, доменный шлак, каолин, трепел и ферросилиций;

- кремнийорганические соединения (КОС): ФЭС-50, ГКЖ-11К (ОАО «Химпром»),

При исследовании структуры и свойств цементных композиций применяли стандартные методы испытаний, изложенные в соответствующих ГОСТ, а также современные методы физико-химического анализа: калориметрический, комплексный термический и рентгенофазовый, а также электронную растровую микроскопию и инфракрасную спектроскопию.

Физико-механические характеристики, морозостойкость и водопоглоще-ние ФЦП определяли по ГОСТ 8747-88. Контракцию цементного теста определяли по методикам измерения МИ 2486-98 и МИ 2487-98 при помощи контрак-циометрического тестера активности цемента «Цемент-прогноз».

Для оптимизации состава и параметров автоклавной обработки ФЦП повышенной долговечности на основе модифицированного смешанного вяжущего использовали математическое планирование эксперимента. Адекватность полу-

ченных математических моделей оценивали с помощью критерия Фишера.

В третьей главе проведена оптимизация состава ФЦП, исследовано влияние состава матрицы (Ц:П) при различной степени дисперсности (5уд) кварцевого песка, коэффициента фибрового армирования и степени помола целлюлозных волокон на физико-механические характеристики ФЦП.

На основе обзора литературных данных принят стандартный режим автоклавной обработки ФЦП (3ч+9ч+3ч).

Влияние цементно-песчаного отношения матрицы на предел прочности при изгибе ФЦП согласно проведенным экспериментальным исследованиям описывается полиномом 3-й степени следующего вида: И^пр-ОЛх3-0.1357х +3.6643х+5.1 с величиной достоверности аппроксимации И<ц/П)", равной 0,98, согласно которому максимальные показатели достигаются при соотношении цемента к песку 1:2, при оптимальной 5уд=310 м2/кг.

Основным химическим процессом при автоклавной обработке является взаимодействие между гидроксидом кальция, кремнеземом и водой, сопровождающееся образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, которые цементируют непрореагировавшие зерна в искусственные конгломераты. Скорость реакций и прочность конгломератов возрастают по мере повышения дисперсности сырьевых материалов. Зависимость предела прочности при изгибе ФЦП от Буд кварцевого песка (192, 210, 310, 410 м2/кг), определенной при цементно-песчаном отношении 1:2, описывается полиномом 2-й степени следующего вида: К(8УД)=-0.1236х"+ 3.19х + 96.58, с величиной достоверности аппроксимации ^удД равной 99,8 %.

Согласно результатам исследований влияния содержания волокон целлюлозы при различных значениях тонкости помола кварцевого песка на предел прочности при изгибе ФЦП, изготовленных на ПЦ500Д0 Вольского завода, следует, что максимальные показатели прочности обеспечиваются при содержании волокон целлюлозы в пределах 5 - 6%, при содержании волокон целлюлозы менее 5% и более 6% - прочность ФЦП снижается.

По результатам исследований определено оптимальное значение 5УД кварцевого песка, равное 310 м~/кг, дальнейшее его увеличение незначительно увеличивает предел прочности при изгибе, но значительно увеличивает энергетические затраты.

Установлено, что существенное влияние на формирование структуры и свойств ФЦП оказывает степень дисперсности целлюлозного волокна. Получена математическая зависимость предела прочности при изгибе ФЦП от степени помола целлюлозного волокна (х,°ШР), которая выражается полиномом второй степени следующего вида: Низг=-0.0125х2+0.885х-0.8491, согласно которой максимальные показатели достигаются при степени помола целлюлозы равной 3040 °ШР.

Выполнены экспериментальные исследования влияния АМД на предел прочности при изгибе автоклавированных ФЦП (рис.1). АМД вводили взамен части молотого кварцевого песка.

Рис. 1. Влияние АМД на прочность ФЦП на основе ПЦ400Д20 (слева) и ПЦ5О0Д0 (справа): I-алюмосиликат; 2-биокремнезем; 3-диатомит; 4-доменный шлак; 5-каолин; б-трепел; 7-ферросилиций.

Получены уравнения регрессии, характеризующие влияние исследуемых АМД на прочность ФЦП типа: К,пг=/(со держан и е АМД), что позволило определить оптимальное содержание АМД в составе смеси и максимальные показатели предела прочности при изгибе в зависимости от вида применяемого цемента.

Все исследуемые АМД при автокланой обработке повышают предел прочности при изгибе ФЦП на 18-200%, при этом наиболее существенное повышение достигается при введении каолина в количестве 5-7,5% от массы ПЦ400Д20 и 25-30% от массы ПЦ500Д0 с увеличением прочности с 12-14 МПа до 20-24 МПа.

В основе технологии ФЦП важным технологическим процессом является создание благоприятных условий осаждения фиброцементных суспензий. Для этих целей применяются различные флокулянты. Из числа флокулирующих добавок нами опрелен полиакриламид (ПАА). В литературе нет данных по влиянию молекулярной массы и других характеристик ПАА на скорость осаждения суспензий на основе цемента и целлюлозного волокна, и на основные характеристики ФЦП. В этой связи нами проведены исследования влияния степени ионного заряда ПАА на скорость осаждения фиброцементной суспензии, нормальную густоту (НГ), сроки схватывания цементного теста и прочностные характеристики ФЦП.

Результаты исследований влияния ПАА на время осаждения фиброцементной суспензии приведены на рис. 2, из которого видно, что эффективность осаждения увеличивается с увеличением степени ионного заряда добавки и, соответственно, молекулярной массы. Наиболее эффективная из рассматриваемых - добавка ПАА «ВезАос К4046», отличающаяся самой высокой степенью ионного заряда и молекулярной массой. Введение в фиброцементную суспензию в количестве 0,05% от массы цемента ПАА «ВезПос К4046» способствует ускорению оседания частиц в 8 раз по сравнению с составом без добавки. Это способствует ускорению фильтрации фиброцементных суспензий, уменьшению уноса твердых частиц с отфильтрованной водой, интенсификации процесса осаждения твердой фазы из

2500

а 2000

0,1 0,15 ПАЛ, %

Рис. 2. Влияние добавок ПАА на время осаждения фиброцементной суспензии: 1 -ВеяАос К4000; 2- Вс.фос К4032; 3- Всфос К4041; 4-Ма1со9601; 5- Вефос К4046.

технологичной воды,

ускорению процесса

осветления в рекуператорах.

Как показали

исследования, все виды добавок ПАА в количестве 0,05-0,15% от массы цемента незначительно увеличивают НГ цементного теста и в зависимости от их содержания примерно влияние схватывания

оказывают одинаковое на сроки цементного

теста. Так, начало схватывания наступает на 5464 мин позже, а конец схватывания на 16-31 мин раньше состава без добавок.

Как видно из данных, приведенных в табл.1, наиболее эффективной из исследуемых флоккулирующих добавок является ПАА «ВеБПос К4046», отличающийся высокой степенью ионного заряда. Введение указанной добавки в фиброцементную смесь в количестве 0,05-0,1% увеличивает предел прочности при изгибе на 10-15% за счет связывания целлюлозных волокон и более полной гидратации ПЦ, при этом эффект усиливается при совместном введении с каолином.

Таблица 1

Влияние добавок ПАА на предел прочности при изгибе ФЦП

Марка добавки ПАА Ионный заряд Степень ионного заряда Содержание добавки, % Ср. плотность, г/см3 Прочность на изгиб ФЦП, (МПа) на основе следующих цементов:

ПЦ400Д20 ПЦ500Д0

- - - - 1,59 14,0/20,4 12,0/24,0

ВЕЗРШС К4000 Неионогенный Нейтральный 0,05 1,59 14,4/20,9 12,4/24,2

0,10 1,60 14,6/21,2 13,0/24,7

0,15 1,55 11,2/16,5 9,3/16,5

ВЕБРЬОС К4032 Анионный Очень низкий 0,05 1,59 14,8/21,2 12,9/24,2

0,10 1,60 15,3/22,8 13,5/24,8

0,15 1,55 11,5/16,6 9,6/16,9

ВЕБРШС К4034 Анионный Низкий 0,05 1,59 15,0/21,2 13,2/24,4

0,10 1,60 15,5/23,2 13,7/25,0

0,15 1,55 11,6/16,7 9,8/17,3

ВЕБРЮС К4041 Анионный Средний 0,05 1,59 15,2/21,3 13,4/24,7

0,10 1,60 15,7/23,7 13,8/25,3

0,15 1,55 11,8/16,9 10,0/17,9

ВЕБРШС К4046 Анионный Высокий 0,05 1,59 15,4/21,4 13,6/25,2

0,10 1,60 16,1/24,6 14,4/25,9

0,15 1,55 12,3/17,1 10,6/18,8

КАЬСО 9601 Анионный Высокий 0,05 1,59 15,0/21,0 13,3/25,0

0,10 1,60 15,7/24,4 14,0/25,5

0,15 1,55 12,0/16,9 10,2/18,5

*Примечание: над чертой указано значение для состава ФЦП без АМД, под чертой для состава с оптимальным содержанием добавки каолина.

В четвертой главе приведены результаты исследований по повышению физико-механических свойств и долговечности ФЦП, а также оптимизированы параметры автоклавной обработки ФЦП.

Гидравлическую активность каолина повышали путем обжига и последующей кислотной активации. Результаты исследований, приведенные на рис.За показывают, что термическая обработка каолина повышает его гидравлическую активность с 693 до 1238 мг/г, при этом оптимальная температура термической обработки составляет 600°С, а время обработки 30 мин.

б)

1400

Ё <

13о; ^1338 1305 1294

1294

1238

400 500 600 " 00 800 Ковпеитр.пн.квслотъ,,'/.

Температура, "С —Уксусная Муравьиная

Рис. 3. Влияние температуры обжига и кислотной активации на активность исследуемой минеральной добавки на основе каолина Последующая активация метакаолина 3% раствором муравьиной кислоты увеличивает гидравлическую активность в два раза по сравнению с исходным каолином (рис.За и 36).

Особенности влияния режимов термической и кислотной обработки каолина на изменение его фазового состава изучали с помощью ИК-спектроскопии. Исследования метакаолина, активированного 3% раствором муравьиной кислоты (далее метакаолин-А), показали, что в диапазоне волновых чисел 3600-2900 см"1, отвечающих валентным колебаниям связанных ОН-групп, и в области 1651-1644 см-1 происходит резкое возрастание интенсивности полос. С другой стороны, относительная интенсивность пиков в интервалах частот 913-912 и 1032-1029 см"1, ответственных за возмущения

кислородосодержащей группы Si-O и связи в октаэдрических слоях А13+ с О2" и ОН", уменьшается в 1,6-2,3 раз. Особый интерес вызывает появление в ИК спектрах метакаолина-А пика в области 2146-2144 см"1, который, вполне возможно, относится к образованию в системе связи Si-H. Характерно, что при росте концентрации муравьиной кислоты в системе с 1 до 3 мае. % интенсивность данной полосы поглощения увеличивается вдвое, что, вероятно, связано с частичным разрушением алюмосиликата под действием муравьиной кислоты. Предположительно, в процессе формирования сольватной оболочки на поверхности частиц твёрдой фазы существенно увеличивается количество связанных ОН-групп, а также возможно образование Si-H-связей.

Таким образом, обработка метакаолина муравьиной кислотой позволяет увеличить количество связанных ОН-групп. И вероятно, может приводить к образованию Si-H-связи.

Как показали исследования, добавки метакаолина и метакаолина-А не существенно влияют на НГ и сроки схватывания цементного теста.

Результаты исследования влияния термической и кислотной модификации каолина на предел прочности при изгибе и водопоглощение автоклавированных фиброцементных плит приведены в табл.2.

Таблица 2

Влияние активированных АМД на предел прочности при изгибе автоклавированных ФЦП

Ульяновский ПЦ400Д20 Вольский ПЦ500Д0

Вид добавки Содержание АМД, % Прочность на изгиб ФЦП, МПа* W,% Содержание АМД, % Прочность на изгиб ФЦП, МПа* W,%

- - 14.0 100% 20,0 - 12,0 100% 20,0

2,5 18,0 129% 19,1 18 22,1 184% 17,4

Каолин 5,0 20,3 145% 18,7 27 24,0 200% 16,9

7,5 20.2 144% 18,7 36 23,9 199% 16,9

10 18,5 132% 19,0 45 15,4 128% 19,0

2,5 19,8 141% 18,7 18 24,3 202% 16,8

Метакаолин 5,0 22,3 159% 18,1 27 26,4 220% 16,3

(600°С) 7,5 22,2 159% 18,1 36 26,3 219% 16,3

10 20,4 146% 18,6 45 16,9 141% 18,7

Метакаолин-А 2,5 20.7 148% 18,5 18 25.4 212% 16,6

5,0 23.0 166% 18,0 27 27.6 230% 16,0

7,5 23.2 166% 18,0 36 27.5 229% 16,0

10 21.3 152% 18,4 45 17.7 147% 18,5

*Примечание: над чертой прочность в МПа, под чертой - процентное отношение к контрольному.

Как видно из данных, приведенных в табл. 2, использование в качестве АМД метакаолина и метакаолина-А позволяет повысить предел прочности при изгибе ФЦП на 10-15% по сравнению с исходным каолином.

Недостатком ФЦП на основе целлюлозных волокон являются высокие значения водопоглощения (16%), деформации усадки/набухания (1 мм/м) и невысокое значение морозостойкости (Р100).

Для повышения указанных выше характеристик нами использованы КОС. При выборе КОС для объемной и поверхностной гидрофобизации ФЦП в работе рассмотрены водорастворимые и водонерастворимые соединения. Из большого числа соединений этих видов определены 2 наиболее эффективных представителя: ФЭС-50 и ГКЖ-11. Изучалось влияние этих КОС на НГ, сроки схватывания цементного теста, водопоглощение, морозостойкость и показатели поровой структуры модифицированных ФЦП. Добавки КОС замедляют начало и конец схватывания, особенно ГКЖ-11К и замедляют гидратацию портландцемента (гл.5). Установлено оптимальное содержание КОС, при котором их отрицательное влияние на сроки схватывания цементного теста и гидратацию портландцемента минимально (до 0,2%).

Результаты влияния гидрофобизирующих добавок на кинетику водопоглощения, морозостойкость ФЦП и показатели краевого угла смачивания при объемном и поверхностном способе гидрофобизации представлены в табл. 3,4.

Таблица 3

Кинетика водопоглощения, морозостойкость и значения краевого угла смачивания образцов ФЦП при объемной гидрофобизации

Вид модификатора Содержание модификатора, % от массы ПЦ Водопоглощение, % Морозостойкость, циклов Краевой угол смачивания 9, град.

6 час. 12час. 24час.

- - 10,4 13,3 16 100 34

ГКЖ-11К 0,10 8,5 12,5 14,6 100 40

0,15 8,1 11,9 14,3 100 41

0,20 8 11,8 14,2 100 41

ФЭС-50 0,10 2,9 3,6 4,3 150 95

0,15 2 2,6 3 250 103

0,20 2 2,5 2,9 250 103

Как видно из данных, приведенных в табл. 3, исследуемые КОС снижают водопоглощение во все сроки испытания. Однако наиболее существенное снижение водопоглощения наблюдается в присутствии модификатора ФЭС-50 в количестве 0,15-0,2% от массы цемента. Добавка ГКЖ-11К не оказывает влияния на морозостойкость ФЦП при объемном способе гидрофобизации, а добавка ФЭС-50, введенная в количестве 0.15-0.20 %, повышает указанную характеристику на 150 циклов.

Таблица 4

Кинетика водопоглощения и значения краевого угла смачивания образцов ФЦП

при поверхностной гидрофобизации

Вид модификатора Концентрация модификатора в пропиточном растворе, % Водопоглощение, % через Морозостойкость, циклов Краевой угол смачивания 0, град.

6 час. 12 час. 24час.

- - 10,4 13,3 16 100 34

ГКЖ-11К 50 3,19 4 5,65 150 90

25 1,89 2,61 3,08 150 102

12 2,39 3,12 3,17 150 102

6 1,95 2,68 3,83 100 98

3 3,72 5,46 7,3 100 81

ФЭС-50 50 1,15 1,38 1,83 200 110

25 1,4 1,64 2,1 200 107

12 1,66 2,14 2,61 150 105

6 2,16 2,43 2,97 150 103

3 2,29 2,7 3,32 150 101

Из табл. 4 видно, что растворы КОС значительно снижают водопоглощение образцов ФЦП. При этом пропитка образцов плит раствором ФЭС-50 наиболее оптимальной концентрацией 50% позволяет снизить водопоглощение в 8,7 раза, в то время как пропитка раствором ГКЖ-11К снижает водопоглощение только в 5,2 раза. Поверхностная гидрофобизация в меньшей степени оказывает влияние на морозостойкость ФЦП, так пропитка в 12-50% растворе ГКЖ-11К увеличивает марку по морозостойкости на 50 циклов. Пропитка в 25-50% растворе ФЭС-50 увеличивает марку по морозостойкости на 100 циклов, в 3-12% растворе на 50 циклов.

Экспериментальные исследования влияния изучаемых КОС на показатели поровой структуры ФЦП при объемной и поверхностной гидрофобизации, выполненные по ГОСТ 12730.4-78, показали, что КОС оказывают существенное влияние на характер изменения поровой структуры материала. При объемной гидрофобизации в образцах с добавками полный объем пор снижается на 0,2-3,2 %, открытых капиллярных пор - на 1,4-13,1 %, открытых некапиллярных пор - на 0,3-1,9 %, объем условно-закрытых пор увеличивается на 1,5-11,9 %, а показатель микропористости - на 0,06-1,51 %.

Поверхностная гидрофобизация оказывает влияние не только на общую пористость, но и на характер распределения пор. Объем открытых капиллярных

пор снижается с 16 до 1,83 %, что по нашему мнению обусловлено образованием кальциевых солей КОС, кольматирующих поры. При одновременном снижении общей пористости происходит существенное перераспределение объема открытых некапиллярных и условно-закрытых пор. Так, объем открытых некапиллярных пор снижается с 2,1 до 0,19 %, а объем условно-закрытых пор увеличивается с 1,1 до 14,63%.

Для уточнения совместного влияния модифицирующих добавок в составе фиброцементной смеси на основные эксплуатационные свойства ФЦП было проведено математическое планирование эксперимента.

Оптимизация состава ФЦП повышенной долговечности на основе модифицированного смешанного вяжущего проводилась путем реализации трехфак-торного плана второго порядка. В качестве исходных независимых переменных определены такие факторы, как содержание: полиакриламида (Х1=0,05-0,1); активной минеральной добавки (Х2=20-30); кремнийорганического соединения (Х3=0,1-0,2) в % от массы цемента. В качестве отклика выбраны предел прочности ФЦП при изгибе (Я), водопоглощение и морозостойкость (Б). Графическая интерпретация результатов обработки математической модели, показывающей влияние компонентов модифицированного смешанного вяжущего на предел прочности при изгибе ФЦП, приведена на рис.4.

Xi - const Х2 - const Х3 - const

Рис. 4. Влияние состава модифицирующих добавок на предел прочности при изгибе ФЦП: где X) - содержание ПАА; Х2 - содержание АМД; Х3 - содержание гид-рофобизатора; ПАА - полиакриламид Besfloc К4046: АМД - метакаолин-К; КОС -ФЭС-50.

Произведена обработка результатов математического планирования, которая позволила получить следующие математические зависимости:

R = -43,135 + 326,4Х, + 3,13Х2 +162,53Х, + 0,35Х,Х2 - 2252,9Xf --0,053Х22 -550,86Х2; (1)

W = 37,44 -171,98Х, -1,82Х2 - 60,73Х3 + 0,095Х,Х2 - 28,57Х,Х3 -

- 0,0476Х2Х, +1180,21Х,2 + 0,0369Х22 +174,1^32; (2)

F = -1757,5 +13485,9Х, + 97,58Х2 + 3476,64Х, - 91506Xf -

- 1,952Х2 - 9436,4Х32; (3)

Как следует из уравнения регрессии (1), с увеличением расходов АМД и ПАА в составе фиброцементной смеси наблюдается рост прочности ФЦП.

Совместное повышение дозировок АМД с ПАА, и ПАА с КОС приводит к постепенному повышению прочности, а затем к ее снижению. Понижение прочности ФЦП при повышении дозировок ПАА и КОС, по-видимому, объясняется блокирующим действием на частицы портландцемента молекул указанных добавок, что особенно ясно проявляется при их совместном введении.

Снижение водопоглощения, как следует из математической зависимости

(2), происходит при повышении дозировки гидрофобизатора и увеличивается при совместном повышении дозировок ПАА и АМД.

Увеличение морозостойкости, как следует из математической зависимости

(3), происходит при повышении дозировки АМД, а также при совместном действии повышенных добавок АМД и КОС.

На основе математического планирования эксперимента определено оптимальное содержание компонентов модифицированного смешанного вяжущего для ФЦП повышенной долговечности: ПАА - 0,075 %, АМД - 25 %, КОС -0.15% от массы цемента.

Вышеуказанные добавки, как показали экспериментальные исследования, оказывают существенное влияние на прочность и долговечность ФЦП, которые зависят от режимов автоклавной обработки. В этой связи, на наш взгляд, необходимо уточнить влияние режимов автоклавной обработки ФЦП на основе модифицированного смешанного вяжущего на основные эксплуатационные свойства ФЦП.

Оптимизация параметров автоклавной обработки ФЦП, выполненная методом математического планирования эксперимента, позволила получить зависимость (4) прочности ФЦП от скорости нагрева (Х^, охлаждения (Х3) и времени изотермической выдержки (Хз), согласно которой увеличение скорости нагрева с 58 до 88°С/ч не оказывает существенного влияния на прочность при изгибе ФЦП, а оптимальным режимом автоклавной обработки ФЦП повышенной долговечности является: скорость нагрева — 88°С/ч, время изотермической выдержки при 1==175°С — 5 ч, скорость охлаждения - 88°С/ч. дти = -79,796 +0,6035Х, +11,ЗЗХ2 + 0,8IX, + 0,00489Х,Х2 + 0,00089Х1Х, -

-0,0236Х2Х} -0,0037X? -0,68529Х22 -0,0036Л\2; (4)

Оптимизация параметров автоклавной обработки позволила сократить ее продолжительность на 4 часа.

Таким образом, с учетом оптимизации состава и режимов автоклавной обработки ФЦП, определены их физико-механические, деформативные и тепло-физические характеристики: прочность на изгиб — 27,5 МПа, теплопроводность - 0,22 Вт/м °С, усадка-0,15 мм/м, морозостойкость - 250 циклов.

В пятой главе рассматриваются результаты исследования влияния АМД, добавок КОС и ПАА на процессы гидратации, структурообразования фиброцементных композиций и особенности формирования фазового состава продуктов гидратации портландцемента.

Установлена связь гидравлической активности АМД с процессами гидратации и структурообразования смешанного вяжущего. Гидратация смешанного

вяжущего изучалась методами термосной калориметрии и контракции.

Значения результатов расчета удельного количества выделившегося тепла при гидратации смешанного на основе ПЦ500ДО приведены в табл.5. За удельное тепловыделение принято количество выделившегося тепла, отнесенного к одному грамму вяжущего (над чертой) и к одному грамму клинкерной части вяжущего (под чертой).

Таблица 5

Тепловыделение и контракция смешанного вяжущего_

Вид АМД Доля АМД в вяжущем, % Удельное тепловыделение,(кал/г) Температурный максимум, °С Время достижения темпер, максимума, мин Контракция за 8 часов, 10'3см3/г (Vb)/(Vk)

Алюмосиликат А=1171,7мг/г - -/64 67,0 660 -/5,25

10 72/79 70,5 650 5,0/5,50

20 51/61 69,6 655 4,9/5,88

30 41/53 56,4 755 4,8/6,24

40 33/46 50,7 795 4,7/6,58

Биокремнезем А=1489,3мг/г 10 76/84 75,6 630 5,1/5,61

20 55/66 72,5 645 4,9/5,88

30 45/59 65,2 740 4,9/6,37

40 37/52 57,0 780 4,8/6,72

Диатомит А=1455,9мг/г 10 73/80 68,7 665 5,0/5,50

20 52/62 69,1 715 4,9/5,88

30 42/55 61,5 760 4,8/6,24

40 34/48 53,7 805 4,75/6,65

Домен, шлак А=327,1мг/г 10 69/76 68,4 660 4,9/5,39

20 48/58 65,2 670 4,8/5,76

30 40/52 57,1 765 4,7/6,11

40 33/46 49,0 805 4,5/6,30

Каолин А=693,0мг/г 10 74/82 71,5 645 5,1/5,60

20 53/65 72,4 690 5,0/6,00

30 43/57 64,9 750 4,9/6,4

40 35/49 56,5 790 4,8/6,70

Трепел А=1498,5мг/г 10 72/79 71,4 655 5,1/5,61

20 51/62 70,0 695 5,0/6,00

30 42/55 62,4 760 4,9/6,37

40 35/49 53,0 795 4,8/6,72

Ферросилиций А=1450,5мг/г 10 70/77 69,9 650 4,8/5,28

20 49/59 68,1 655 4,7/5,64

30 40/52 58,6 765 4,6/5,98

40 32/45 50,0 800 4,4/6,16

Анализ кинетики тепловыделения показывает, что введение АМД в состав смешанного вяжущего оказывает влияние, как на температуру, так и на ход процесса гидратации вяжущего. При содержании АМД 10-20 % от массы вяжущего температура его гидратации на 3-5°С выше, чем у исходного

портландцемента. Более раннее достижение температурного максимума на кривых гидратации смешанного вяжущего с содержанием АМД до 20 % свидетельствует об интенсификации процесса гидратации в начальный период твердения. Увеличение количества АМД в составе вяжущего, особенно более 20 %, приводит к замедлению процесса гидратации и снижению температурного максимума. Максимальная температура гидратации смешанного вяжущего с содержанием АМД до 20 % превышает максимальную температуру гидратации исходного портландцемента. Это связано с более высокой степенью гидратации смешанного вяжущего по сравнению с исходным портландцементом, т.к. на наш взгляд клинкерные зерна в присутствии АМД реагируют с водой быстрее, чем в чистом портландцементе. Частицы добавки, как показал седиментационный анализ, значительно меньше клинкерных зерен. Распологаясь между ними, они разъединяют клинкерные зерна и тем самым облегчают доступ воды к их поверхности. С другой стороны, АМД, взаимодействуя с гидроксидом кальция, способствует более глубокой гидратации клинкерных зерен и увеличивает объем гидратных новообразований и соответственно, количество выделяемого при их образовании тепла.

Введение ПАА в цементное тесто, в зависимости от дозировки оказывает различное влияние на ход и кинетику гидратации портландцемента (рис.5).

Достижение температурного максимума на кривых гидратации портландцемента с содержанием ПАА до 0,1% свидетельствует об

интенсификации процесса гидратации в начальный период твердения.

Увеличение количества ПАА в составе более 0,1% приводит к замедлению процесса гидратации цемента и снижению температурного максимума.

Также удельное

тепловыделение портландцемента во все сроки гидратации растет с увеличением содержания ПАА до 0,1% и снижается при дальнейшем увеличении его дозировки. В этом отношении оптимальным является содержание 0.5-0.1%. Исследования контракции показали, что введение ПАА в цементное тесто, в зависимости степени ионного заряда, молекулярной массы и концентрации оказывает примерно одинаковое влияние на контракцию и активность портландцемента. Рост активности и величины удельной контракции портландцемента растет при содержании ПАА до 0,1%. Увеличение количества ПАА в составе более 0,1% приводит к снижению

Продолжительность гидратации, час

Рис.5. Кинетика тепловыделения цементного теста с добавкой ПАА «Ве.^/1ос К4046»: 1-исходный ПЦ; 2-0,05%; 3-0.1%; 4-0,15% от массы ПЦ.

активности портландцемента.

Результаты исследования фазового состава фиброцементной матрицы на основе модифицированного смешанного вяжущего показали, что в целом наблюдается существенное увеличение количества гидросиликатов С28Н(С) с межплоскостным расстоянием 2,77 А, низкоосновных гидросиликатов кальция типа СБН(А) (2.74 А) и тоберморита (2.97 А), а также снижением величины пиков Са(ОН)2 и высокоосновных гидросиликатов типа С28Н2(2,18 А).

Уменьшение пика гидроксида кальция объясняется связыванием его АМД в низкоосновные гидросиликаты кальция типа СБН.

Исследования образцов фиброцементной матрицы с использованием дифференциально-термического анализа показали, что в образцах фиброцементной матрицы на основе модифицированного смешанного вяжущего при автоклавной обработке по оптимальному режиму происходит более глубокая гидратация силикатной фазы, о чем свидетельствует увеличение эндоэффекта при температуре 160-170 °С.

ИК-спектроскопия цементного камня подтверждает результаты РФА и ДТА.

В шестой главе излагаются рекомендации по организации производства ФЦП на основе модифицированного смешанного вяжущего и технико-экономические показатели ФЦП оптимального состава.

Приложение содержит акты производственной апробации результатов экспериментальных исследований, проекты технических условий и технологического регламента производства ФЦП на основе модифицированного смешанного вяжущего.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны составы ФЦП на основе модифицированного смешанного вяжущего и целлюлозных волокон с повышенными физико-механическими свойствами и долговечностью.

2. Впервые установлены зависимости влияния цементно-песчаного отношения, количества целлюлозного волокна и степени его дисперсности при разной удельной поверхности кварцевого песка на физико-механические свойства ФЦП, согласно которым максимальные показатели обеспечиваются при Ц:П=1:2, содержании целлюлозных волокон распушенных до 30-40 °ШР в количестве 5-6% при 8уд кварцевого песка равной 310 м2/кг.

3. Впервые исследовано влияние степени ионного заряда и молекулярной массы ПАА на кинетику гидратации смешанного вяжущего, скорость осаждения фиброцементной суспензии и физико-механические свойства ФЦП. При этом установлено, что наилучшее влияние на вышеуказанные характеристики оказывает ПАА ВевАос К4046, отличающийся более высокой молекулярной массой и степенью ионного заряда.

4. Изучены и уточнены закономерности влияния модифицированного смешанного вяжущего на физико-механические свойства и долговечность ФЦП. Установлено, что повышение прочности, морозостойкости, снижение

водопоглощения ФЦП при введении модифицирующих добавок обеспечивается за счет формирования плотной и однородной структуры ФЦП (полный объем пор снижается на 0,2-3,2%, открытых капиллярных пор снижается на 1,4-13,1%, открытых некапиллярных пор снижается на 0,3-1,9%, объем условно-закрытых пор увеличивается на 1,5-11,9%, показатель микропористости увеличивается на 0,06-1,51%). Применение

модифицированного смешанного вяжущего позволяет снизить водопоглощение в 5 раз (с 16 до 3%) и повысить морозостойкость ФЦП в 2,5 раза (с F100 до F250).

5. Определены оптимальные параметры автоклавной обработки ФЦП повышенной долговечности • на основе модифицированного смешанного вяжущего: скорость подъема температуры - 88 °С/ч, изотермическая выдержка при температуре 175 °С - 5 ч, скорость охлаждения - 88 °С/ч, позволяющие сократить общую продолжительность на 4 ч при сохранении высоких физико-механических свойств и долговечности.

6. Проведена сравнительная оценка эффективности объемной и поверхностной гидрофобизации ФЦП на основе целлюлозных волокон и модифицированного смешанного вяжущего. Установлено, что наилучшие результаты обеспечиваются при объемной гидрофобизации соединением ФЭС-50 в количестве 0,15-0,2% от массы цемента. Морозостойкость при этом увеличивается с 100 до 250 циклов, в то время как при поверхностной гидрофобизации только до 150 циклов.

7. Установлены особенности влияния АМД и химических добавок на формирование микро- и макроструктуры модифицированного смешанного вяжущего и ФЦП на его основе, из которых следует, что конечные продукты твердения модифицированного смешанного вяжущего существенно отличаются от продуктов твердения исходного вяжущего. Принципиальным отличием, как это следует из данных ДТА, РФА и электронной микроскопии, является пониженное содержание свободного Са(ОН)2, высокоосновного гидросиликата кальция C2SH2 и высокоосновного гидроалюмината СзАНб и повышенное содержание низкоосновных форм гидросиликатов и гидроалюминатов. Образующиеся гидратные новообразования имеют более высокую дисперсность, по сравнению с продуктами гидратации исходного вяжущего.

8. Проведенная опытно-промышленная проверка результатов исследований свидетельствует о потенциальной возможности и перспективности изготовления ФЦП повышенной долговечности на основе модифицированного смешанного вяжущего.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Мухаметрахимов, Р.Х. Исследование влияния состава матрицы фиброце-ментного композиционного материала на его физико-технические свойства / Р.Х.Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Композиционные строитель-

ные материалы. Теория и практика: Сб. статей межд. науч.-техн. конф. -Пенза : ПГУАС,-2010.-С. 136-138.

2. Мухаметрахимов, Р.Х. Смешанное вяжущее для фиброцементных плит / Р.Х. Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: Материалы V Всеросс. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Пенза : ПГУАС. - 2010. - С. 179-182.

3. Мухаметрахимов, Р.Х. Структура и свойства модифицированных фиброцементных композиций / Р.Х. Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Материалы XV академических чтений РААСН, Казань : Изд-во КазГАСУ, 2010. -Т. 1. - С. 331-334.

4. Мухаметрахимов, Р.Х. Физико-химические исследования модифицированных фиброцементных композиций / Р.Х. Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Физико-химические основы строительного материаловедения: Сб. трудов Межд. науч. конф., Харьков : - 2010. - С. 143-147.

5. Изотов, B.C. Цементно-волокнистый композиционный материал для фиброцементных плит / B.C. Изотов, Р.Х. Мухаметрахимов, JI.C. Сабитов // Строительные материалы. — 2011. - №5. — С. 20-21.

6. Мухаметрахимов, Р.Х. Влияние активных минеральных добавок на гидратацию вяжущего и физико-механические свойства фиброцементных плит / Р.Х. Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Известия КазГАСУ. - 2011. - №2 (16). - С. 213-217.

7. Мухаметрахимов, Р.Х. Фиброцементные плиты на основе целлюлозных волокон / Р.Х. Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Материалы всеросс. науч.-практ. конф. «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», - Саратов : СГТУ, 2010 - Т.2. - С. 292-294.

8. Мухаметрахимов, Р.Х. Модифицированное смешанное вяжущее для фиброцементных плит / Р.Х. Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Сб. докладов II Международного семинара-конкурса молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей, Санкт-Петербург : «АлитИнформ». - 2011. - С. 82-87.

9. Мухаметрахимов, Р.Х. Исследование влияния кремнийорганических соединений на свойства фиброцементных плит / Р.Х. Мухаметрахимов, B.C. Изотов // Известия КазГАСУ. - 2011. -№4 (18). - С. 254-259.

Печать RISO

Тираж 100 экз. ПМО КГАСУ 420043, Казань, ул. Зеленая, д.1

Подписано к печати « 09 » 04 2012 г. Формат 60x84/16 Объем 1 п.л. Заказ № 187

-7 О-

61 12-5/2527

казанским государственный архитектурно-строительныи

университет

На правах рукописи

мухаметрахимов рустем ханифович

фиброцементные плиты на смешанном вяжущем

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки Республики Татарстан, доктор технических наук, профессор B.C. Изотов

Казань-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................................................6

1 Проблемы повышения физико-механических свойств и долговечности фиброцементных плит............................................................................................................11

1.1 Свойства, определяющие долговечность фиброцементных плит..............11

1.2 Применение модифицирующих добавок в производстве фиброцементных плит................................................................................................................................................................16

1.2.1 Активные минеральные добавки................................................................................................16

1.2.2. Флоккулирующие добавки..............................................................................................................22

1.2.3 Кремнийорганические соединения............................................................................................24

1.3 Повышение прочности, морозостойкости и других эксплуатационных свойств фиброцементных плит......................................................................................28

1.4 Выводы по главе и основные направления работы..................................................................31

2 Характеристика объектов и методов исследования................................................................33

2.1 Характеристика исходных материалов........................................................................................................33

2.2 Изготовление, твердение и испытание образцов фиброцементных

плит....................................................................................................................................................................41

2.3 Методы экспериментальных исследований....................................................................42

2.3.1 Гидротермальная обработка образцов..................................................................................42

2.3.2 Изучение физико-механических свойств вяжущих и фиброцементных плит..........................................................................................................................................................................43

2.3.3 Изучение деформативных свойств фиброцементных плит........................................44

2.3.4 Изучение теплофизических свойств фиброцементных плит............................45

2.3.5 Комплексный термический анализ......................................................................................................................46

2.3.6 Рентгенофазовый анализ....................................................................................................................................................46

2.3.7 Оптические методы исследования........................................................................................................................47

2.3.8 Инфракрасная спектроскопия.................................................................................................................................47

2.4 Статистическая обработка экспериментальных данных. Использование метода математического планирования эксперимента................................48

3 Оптимизация состава фиброцементных плит.................................. 50

3.1 Подбор оптимальной фиброцементной матрицы и коэффициента фибрового армирования.......................................................... 50

3.2 Исследование влияния степени помола целлюлозных волокон на физико-механические свойства фиброцементных плит....................... 52

3.3 Влияние активных минеральных добавок на реологические свойства цементного теста, и физико-механические характеристики фиброцементных плит........................................................................ 55

3.4 Влияние флоккулирующих добавок на реологические свойства цементного теста и физико-механические свойства фиброцементных

плит................................................................................... 61

3.5 Выводы по главе 3....................................................................................... 65

4 Повышение физико-механических свойств и долговечности фиброцементных плит оптимального состава........................................ 66

4.1 Повышение гидравлической активности каолина........................... 66

4.2 Влияние гидрофобизирующих добавок на реологические свойства цементного теста и физико-механические свойства фиброцементных плит................................................................................... 75

4.3 Оптимизация состава фиброцементных плит повышенной долговечности..........................................................................................................................................81

4.4 Влияние параметров автоклавной обработки на свойства фиброцементных плит повышенной долговечности................................... 86

4.5 Физико-механические, деформативные и теплофизические характеристики фиброцементных плит оптимального состава..................... 92

4.6 Выводы по главе 4....................................................................................... 95

5 Исследование процессов гидратации и структурообразования фиброцементных композиций............................................................ 97

5.1 Влияние исследуемых добавок на процессы гидратации и структурообразования цементного камня в фиброцементных плитах................ 97

5.2 Особенности формирования структуры фиброцементных плит повышенной долговечности................................................................................ 111

5.3 Выводы по главе 5.................................................................. 115

6 Рекомендации по организации производства фиброцементных плит. 117

6.1 Организация производства...................................................... 117

6.2 Калькуляция себестоимости продукции..................................... 121

6.3 Выводы по главе 6....................................................................................... 123

Общие выводы............................................................................................. 124

Список литературы...................................................................................... 126

Приложение 1

Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ

АМД - активные минеральные добавки ГСК - гидросиликат кальция ГСАК - гидросульфоалюминат кальция ДТА - дифференциально-термический анализ ИКС - инфракрасная спектроскопия КОС - кремнийорганическое соединение НГ - нормальная густота, % ПАА - полиакриламид ПАВ - поверхностно активное вещество ПЦ - портландцемент РФА - рентгенофазовый анализ ТВО - тепловлажностная обработка ФЦМ - фиброцементная масса ФЦП - фиброцементные плиты ЦК - цементный камень ЦТ - цементное тесто Ясж - предел прочности при сжатии, МПа Яи - предел прочности при изгибе, МПа - водопоглощение, %

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время, не смотря на экономический кризис, в стране сохраняются достаточно высокие темпы строительства зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения. Вместе с тем, значительная доля зданий имеет длительный срок эксплуатации, которые не отвечают современным теплотехническим и эстетическим требованиям. Для отделки фасадов вновь возводимых, а также при утеплении реконструируемых зданий большое применение находят вентилируемые фасадные системы, использование которых позволяет восстановить старые фасады и придать им более современный внешний вид. В качестве облицовочного материала в таких системах применяются различные материалы: керамогранит, алюминиевые панели, полимерные материалы, фиброцементные плиты и др. Однако большинство из них ввозятся из других стран, они отличаются высокой стоимостью и не всегда могут быть применены для строительства в наших погодных условиях.

Наиболее распространенным и доступным облицовочным материалом среди отечественных являются ФЦП на основе асбестовых волокон. Однако спрос на данные изделия ежегодно снижается. Связано это главным образом с распространяющимися сведениями о канцерогенности асбеста. В этой связи актуальным становится вопрос разработки нового эффективного облицовочного материала на основе экологически чистого сырья невысокой стоимости, способного обеспечить надежность, долговечность и энергоэффективность эксплуатации зданий с возможностью внедрения на типовых линиях по производству асбестоцементных плит с максимальным использованием имеющегося оборудования.

Одним из таких материалов являются ФЦП на основе целлюлозных волокон. Процесс их производства аналогичен асбестоцементным плитам. Фактически асбестоцементные плиты являются фиброцементными, однако на

рынке России под ФЦП наиболее часто понимают плиты без содержания асбеста.

К недостаткам существующих ФЦП на основе целлюлозных волокон следует отнести малую прочность, высокое водопоглощение и низкую морозостойкость. В этой связи особую актуальность приобретают работы направленные на решение вопросов повышения качества и долговечности ФЦП на основе целлюлозных волокон.

Цель работы - разработать составы фиброцементных плит на основе целлюлозных волокон с повышенными физико-механическими свойствами и долговечностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать оптимальный состав модифицированного смешанного вяжущего для ФЦП на основе портландцемента, молотого кварцевого песка и активной минеральной добавки.

2. Изучить зависимости водопотребности вяжущего, физико-механических свойств ФЦП на его основе от состава вяжущего вида и количества целлюлозных волокон.

3. Модифицировать состав смешанного вяжущего оптимального состава химическими добавками для повышения плотности, ударной вязкости, морозостойкости и водонепроницаемости ФЦП.

4. Оптимизировать режим автоклавной обработки ФЦП на основе модифицированного смешанного вяжущего.

5. Провести опытно-промышленную проверку результатов исследования и оценить технико-экономическую эффективность разработанных составов.

Научная новизна работы:

1. Получены новые данные об особенностях формирования микро-и макроструктуры ФЦП в зависимости от состава модифицированного смешанного вяжущего: (вид и количество активной минеральной добавки, дозировки флокулянта и кремнийорганического соединения), заключающиеся в

пониженном содержании свободного Са(ОН)2, высокоосновных гидросиликатов кальция (С28Н2), гидроалюмината кальция (СзАН6) и повышенном содержании низкоосновных форм гидросиликатов и гидроалюминатов, формировании более плотной и однородной структуры ФЦП с повышенными физико-механическими свойствами и долговечностью.

2. Впервые выявлена эффективность водонерастворимого кремний-органического соединения «ФЭС-50» для объемной и поверхностной гидро-фобизации ФЦП на основе целлюлозных волокон и модифицированного смешанного вяжущего, твердеющих при автоклавной обработке.

3. Впервые исследовано влияние степени ионного заряда и молекулярной массы полиакриламида на кинетику гидратации смешанного вяжущего и скорость осаждения фиброцементной суспензии. Показано, что с увеличением степени ионного заряда и молекулярной массы полиакриламида происходит ускорение процесса гидратации смешанного вяжущего, увеличение скорости осаждения фиброцементной суспензии и повышение предела прочности при изгибе ФЦП на 15%.

Практическая значимость работы:

1. Разработан оптимальный состав модифицированного смешанного вяжущего для ФЦП отличающийся следующими физико-механическими характеристиками: предел прочности при изгибе - 27,5 МПа, морозостойкость - 250 циклов, водопоглощение - 3%, ударная вязкость - 2,5 кДж/м2.

2. Получены ФЦП с высокими физико-механическими параметрами и долговечностью при сокращении энергозатрат автоклавной обработки на 15-20%.

Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечивается достаточным объемом воспроизводимых экспериментальных данных, полученных современными методами исследований, и их взаимной корреляцией, использованием статистических методов при обработке экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства ( Казань: КГ АСУ, 2008, 2009, 2010, 2011), XV академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань: КГ АСУ, 2010), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов: СГТУ, 2010), Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань: КГТУ, 2011), II Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (Москва: Экспоцентр, 2011), научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города» (Казань, 2011).

Реализация работы. В 2010 году работа награждена дипломом в номинации «СТАРТ ИННОВАЦИЙ» по программе 50 лучших инновационных идей для республики Татарстан, отмечена дипломом лауреата конкурса молодых ученых на XV академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», в 2011 году стипендиями Мэра г.Казани и Президента РФ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ (в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 научные статьи). Поданы 2 заявки на изобретение: «Фиброцементная смесь» (№ 2012101728 от 18.01.2012) и «Гидрофобизирующий состав для пропитки фиброцементных изделий и способ его нанесения» (№ 2011145985 от 11.11.2011).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 192 наименований и приложений. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включает 40 таблиц, 37 рисунков.

На защиту выносятся: •результаты исследования влияния наиболее эффективных активных минеральных добавок (отработанный катализатор нефтехимического синтеза - алюмосиликат, биокремнезем, диатомит, доменный шлак, каолин, трепел и ферросилиций), флокулянтов (полиакриламид ВеэАос К4000, ВевАос К4032, ВезАос К4034, ВезАос К4041, ВезАос К4046 и Шсо 9601) и кремнийоргани-ческих соединений (ГЮК-11К и ФЭС-50) на свойства цементного теста, гидратацию вяжущего и физико-механические свойства ФЦП;

•результаты исследований оптимизации состава модифицированного смешанного вяжущего для получения ФЦП, отличающихся повышенной прочностью и долговечностью;

•результаты оптических, дифференциально-термических, рентгеност-руктурных и инфракрасно-спектроскопических исследований структуры модифицированного смешанного вяжущего;

•результаты оптимизации режима автоклавной обработки ФЦП, позволяющие сократить энергозатраты на 15-20%.

1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧСЕКИХ СВОЙСТВ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ФЦП

1.1. Свойства материала, определяющие долговечность ФЦП

Фиброцементом называется искусственный композиционный строительный материал, получаемый в результате затвердевания смеси, состоящей из цемента, волокон и воды.

В процессе эксплуатации ФЦП подвержены ряду негативных воздействий: атмосферных осадков, солнечного света, знакопеременных температур, ветра и пр. В этой связи к ним предъявляются все более высокие требования по физико-механическим свойствам и долговечности.

К физико-механическим свойствам ФЦП, прежде всего, относятся плотность, прочность и ударная вязкость. Под долговечностью понимают свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Долговечность ФЦП как ограждающих конструкций [137] определяется сроком их службы без потери требуемых эксплуатационных качеств в данных климатических условиях при заданном режиме эксплуатации. Срок службы в свою очередь является количественной характеристикой долговечности, который зависит от климатических и эксплуатационных воздействий на ФЦП до достижения предельного состояния.

По степени долговечности ограждающие конструкции делятся на три степени: I степень - со сроком службы не менее 100 лет, II степень - не менее 50 лет, III степень - не менее 20 лет.

Требуемая степень долговечности ограждающих конструкций, в соответствии со СНиП 23-02-2003 [138], должна быть обеспечена применением материалов, имеющих надлежащую стойкость. Надлежащая стойкость по СНиП П-В.6-62 [137] характеризуется морозостойкостью, влагостойкостью, биостойкостью, стойкостью против коррозии, высокой температуры, циклических температурных колебаний и других разрушающих воздействий окружающей среды.

Определяющими свойствами облицовочных слоев ограждений, позволяющими определить надлежащую стойкость материалов, которая обеспечит заданный (нормативный) срок службы, по мнению авторов [84] является -прочность, морозостойкость, атмосферостойкость, водостойкость и декоративные качества.

Физико-механические свойства и долговечность дисперсно-армированных композиционных материалов зависят как от состава и характеристик матрицы, так и от характеристик и содержания волокон, армирующих матрицу.

Матрица в армированных композициях придает изделию необходимую форму, создает монолитный материал. Объединяя в одно целое многочисленные волокна, матрица позволяет композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, сдв