автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Газобетон автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора

На правах рукописи „ /

с"Г

АЛТЬШНИК Наталья Игоревна

ГАЗОБЕТОН АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 ОКТ 2013

Белгород - 2013

005535384

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Строкова Валерия Валерьевна

Официальные оппоненты - Урханова Лариса Алексеевна

доктор технических наук, профессор Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления, зав. кафедрой производства строительных материалов и изделий

- Володченко Анатолий Николаевич,

кандидат технических наук, доцент, Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, профессор кафедры неорганической химии

Ведущая организация - Северо-Восточный федеральный уни-

верситет имени М.К. Аммосова

Защита состоится "12" ноября 2013 года в 1430 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 ГК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО БГТУ им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан "04" октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

Г.А. Смоляго

Актуальность. В настоящее время одним из распространенных строительных материалов, используемых для возведения гражданских и промышленных зданий, является автоклавный газобетон. Это обусловлено тем, что он сочетает в себе высокие прочностные показатели с хорошими теплоизолирующими свойствами. Однако, ежегодно возрастающие требования потребителей приводят к необходимости повышения качества выпускаемых изделий. Добиться этого возможно как за счет использования технологических приемов, так и корректировки состава газобетона путем введения различных модифицирующих компонентов.

В последнее время одним из способов повышения эксплуатационных характеристик строительных материалов является использование наноси-стем природного и техногенного происхождения. Введение модифицирующих компонентов наноразмерного уровня в состав строительных композитов способствует направленному формированию их структуры и позволяет получать изделия с заранее заданными свойствами.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации: государственный контракт 16.740.11.0770; соглашение 14.В37.21.1218; государственное задание 3.4601.2011; программа стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

Цель и задачи работы. Повышение эффективности производства газобетона автоклавного твердения за счет использования наноструктуриро-ванного модификатора (НМ) силикатного состава.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— исследование влияния способа механоактивации кремнеземистого сырья на его активность;

— изучение особенностей поризации, формирования макро- и микроструктуры газобетона в доавтоклавный период в зависимости от состава формовочной смеси;

— подбор составов и технологии производства автоклавного газобетона с наноструктурированным модификатором;

— подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.

Научная новизна работы. Предложены принципы проектирования газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктуриро-ванного модификатора силикатного состава, заключающиеся в оптимизации макро- и микроструктуры газобетона в доавтоклавный период и интенсификации фазообразования в гидротермальных условиях. НМ позволяет оптимизировать реотехнологические свойства ячеистобетонной смеси, что обеспечивает: плавный интенсивный процесс газообразования, приростом объема смеси, снижение времени вспучивания, снижение толщины межпоровых перегородок при сохранении требуемых прочностных характеристик готовых изделий.

Установлено влияние метода помола и дисперсности кремнеземистого компонента на его активность. Способы помола проранжированы по степени увеличения активности полученных кварцевых компонентов: мокрый помол сухой помол (оба до 8УД=300-350 м7кг) ->■ мокрый постадийный помол с получением НМ (8УД>5000 м2/кг). При сухом помоле активность компонентов обусловлена аморфизацией поверхности твердой фазы за счет механоактивации; при мокром постадийном - формированием высокоактивной коллоидной фракции. Показано, что коллоидная фракция НМ характеризуется самопроизвольным течением, приводящим к формированию самоорганизующейся плотноупакованной структуры сырьевой смеси. Установлено, что реакционная способность НМ обеспечивается большим количеством активных брендстедовских кислотных центров и гидроксиль-ных функциональных групп на поверхности частиц твердой фазы, способных к физическому и химическому взаимодействию, что определяет ее реакционную способность.

Установлены особенности фазообразования в системе «цемент - известь - кремнезем» в гидротермальных условиях в присутствии НМ силикатного состава, заключающиеся в том, что реакционно-активный компонент НМ способствует смещению С-Б-Н-фазообразования в низкоосновную область и снижению концентрации альфа-гидрата двух-кальциевого силиката. В системе формируется оптимальное соотношение низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, что способствует повышению прочностных характеристик газобетона и его долговечности.

Практическое значение работы. Обоснована целесообразность использования добавок на меламинформальдегидной основе для пластификации наноструктурированного модификатора силикатного состава. Оптимальное содержание пластификатора составляет 0,1 %.

Предложены составы газобетона автоклавного твердения конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения с марками по плотности 0350-0500 и классами по прочности ВО,75, В2,5-В5.

Предложена технология производства газобетона автоклавного твердения с учетом использования наноструктурированного модификатора.

Внедрение результатов исследований. Полупромышленная апробация разработанных составов и технологии производилась на базе Опытно-промышленного цеха «Наноструктурированных композиционных материалов» БГТУ им. В.Г. Шухова, автоклавирование газобетонных изделий производилось на ОАО «Аэробел». Подписан протокол о намерениях с ООО «Стройкомпозит» (Якутия) о создании цеха по производству газобетона в рамках строящегося завода по выпуску ячеистых композитов автоклавного твердения.

Для внедрения результатов работы разработаны следующие технические документы:

- рекомендации по применению наноструктурированного модификатора в качестве компонента при производстве газобетона автоклавного

твердения;

- стандарт организации СТО 02066339-004-2013 «Газобетон автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора»;

- технологический регламент на производство газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Наносистемы и трансфер технологий», а также магистров по направлению 270800.68 «Строительство» профилей «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и «Наносистемы в строительном материаловедении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2009); Международном молодёжном научном форуме «Ломоносов-2010» (Москва, 2010); XV академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); Всероссийской научно-практической конференции <сРе-сурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012); Международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (Улан-Удэ, 2012); XII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2013); Международной научной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 14 научных публикациях, в том числе в 3 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На составы и способ получения газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора получен патент RU 2448929 С04.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 188 странице машинописного текста, включающего 28 таблиц, 33 рисунка и фотографии, списка литературы из 162 наименований, 8 приложений.

На защиту выносятся:

- принцип проектирования газобетона автоклавного твердения с использованием НМ силикатного состава;

— зависимости активности кремнеземистых компонентов от способа его получения и дисперсности;

— механизмы формирования макро- и микроструктуры газобетона в доавтоклавный и автоклавный период;

— особенности фазообразования газобетона автоклавного твердения в присутствии наноструктурированного модификатора силикатного состава;

— оптимальные составы и технология газобетона автоклавного твердения конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения. Результаты апробации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По данным Национальной ассоциации производителей автоклавного газобетона в настоящее время в России в 38 регионах действует 66 предприятий по выпуску ячеистого бетона автоклавного твердения. При этом динамика ввода новых мощностей по производству газобетона возрастает с каждым годом.

Несмотря на явные преимущества газобетона, к которым относятся теплоизоляционные и конструктивные качества, существуют определенные проблемы его производства. В частности, использование цемента в качестве основного структуроформирующего компонента ячеистого материала в доавтоклавный период затрудняет получение изделий с низкими марками по плотности и существенно увеличивает их стоимость.

В настоящее время совершенствование структуры и свойств существующих строительных материалов может быть достигнуто применением модификаторов нанодисперсного уровня. Однако, использование таких добавок сопряжено с проблемой равномерного распределения активного наноразмерного компонента в сырьевых смесях, что особенно важно в производственных масштабах.

Решение этой проблемы заключается не во введении нанодисперсных добавок в общую смесь, а в создании наноструктурированной системы в самой композиционной массе в процессе технологического передела - «in situ». Этому условию в полной мере удовлетворяет наноструктурирован-ное вяжущее, в котором наноразмерный компонент формируется в процессе его производства. Ранее была установлена принципиальная возможность использования наноструктурированного вяжущего в качестве модифицирующего компонента (наноструктурированного модификатора) при получении прессованных материалов автоклавного твердения. В связи с этим рабочей гипотезой работы стало повышение эффективности производства и применения газобетона автоклавного твердения за счет использования наноструктурированного модификатора (НМ) силикатного состава.

В качестве сырьевых компонентов в работе использовались цемент

производства ЗАО «Белгородский цемент», песок Корочанского месторождения, известь негашеная комовая производства ОАО «ОЭМК», гипс ОАО «Гипсобетон», алюминиевая паста ООО «СУАЛ-ПМ», вода и нано-структурированное вяжущее силикатного состава в качестве активного модификатора. Все материалы удовлетворяют требованиям соответствующих нормативных документов.

Наноструктурированный модификатор получают мокрым постадий-ным измельчением кремнеземистых компонентов. При этом для получения необходимых реологических характеристик по окончании помола производится модификация вяжущего комплексом «электролит + пластификатор СБ-5». Однако, сырьем для получения пластификатора СБ-5 являются резорцин и фурфурол, которые в настоящее время практически отсутствуют. В связи с этим возникла необходимость корректировки состава комплексного модификатора путем введения новой пластифицирующей добавки. В качестве пластифицирующей добавки предложено использовать меламинформальдегидный пластификатор Melment FIO. Эффективность пластификатора оценивали по реологическим характеристикам НМ с его использованием. Количество пластификатора в системе НМ составляло от

Градиент скорости сдвига, с"1

Рис. 1. Вязкость нанострукгурированного вяжущего в зависимости от количества пластификатора

Как видно из полученных данных (рис. 1), НМ без пластификатора обладает типичным для данных систем характером течения. При введении малых дозировок Ме1теШ (0,03 и 0,05 %) характер течения НМ практически не отличается от состава без пластификатора. Увеличение количества добавки (0,2 и 0,3 %) приводит к существенному падению начальной вязкости пластифицированного нанострукгурированного модификатора. Оптимальными реологическими свойствами характеризуется состав с содер-

жанием пластификатора МЫтегй 0,1 %. В данном случае наблюдается не только снижение начальной вязкости в 2,5 раза, но также и падение конечной вязкости системы в 1,8 раз по сравнению с модификатором исходного состава.

0,2 0.3 0,4 O.S 0.6 Добавка. %

Рис. 2. Зависимости подвижности (1) и текучести (2) модификатора от количества пластификатора

Анализ текучести и подвижности наноструктурированного модификатора (рис. 2), изученные с помощью миниконуса и вискозиметра Энглера, подтверждает полученные данные. Введение 0,1 % пластификатора способствует увеличению текучести в 2,5 и подвижности в 1,7 раза по сравнению с наноструктурированным модификатором без Melment.

Отмечено уменьшение размеров частиц при введении Melment в НМ по сравнению с исходным модификатором, наблюдается увеличение концентрации для частиц с размерами 200-300 нм в 1,5 раза. Кроме того, введение пластификатора в состав наноструктурированного модификатора меняет знак дзета-потенциала с положительного (35 мВ) на отрицательный (-27 мВ), что свидетельствует о его адсорбции на поверхности частиц твердой фазы НМ.

Таким образом, установлена принципиальная возможность использования добавок на меламинформальдегидной основе (Melment F10) для пластификации наноструктурированного модификатора силикатного состава. При этом оптимальное содержание добавки в системе не должно превышать 0,1 %.

Современная технология получения газобетона автоклавного твердения предусматривает измельчение всех сырьевых компонентов. При этом кремнеземистое сырье измельчается: по сухому способу - для получения известково-песчаного вяжущего (ИПВ); по мокрому - для получения песчаного шлама. Известно, что на активность измельченных материалов влияет время и способ измельчения. В связи с этим было изучено влияние способа помола и дисперсности кварцевого компонента на его активность.

В работе использовали кремнеземистые компоненты, полученные на

основе песка Корочанского месторождения тремя различными способами1: I - сухой (компонент ИПВ) и II - мокрый одностадийные помолы в шаровой мельнице (шлам), оба до 8уд=300-350 м2/кг; III - мокрый постадийный помол с получением НМ до2 8УД>5000 м2/кг.

в) наноструктурированный модификатор

Отмечены особенности структуры измельченных кварцевых компонентов. В песке мокрого и сухого помола наряду с крупными частицами присутствуют мелкодисперсная фракция, однако ее доля в общем объеме материала не велика. При этом частицы разрознены по объему дисперсионной среды. Суспензия НМ отличается равномерным распределением мелких частиц кремнезема вокруг более крупных. Это приводит к формированию прочной коагуляционной структуры, что способствует повышению стабильности суспензии.

При изучении микроструктурных особенностей наноструктурирован-ного модификатора с помощью поляризационного микроскопа, была обнаружена особенность ее поведения - своеобразное течение4

Наблюдается направленное движение мелких частиц в среде более крупных по определенной траектории. Это обусловлено тем, что модификатор получают в условиях максимальной концентрации твердой фазы. Т.е. коллоидные частицы кремнекислоты существуют в виде прослоек между более крупными грубодисперсными частицами. Это приводит к формированию своеобразных каналов равномерно распределенных по системе, по которым перемещаются коллоидные частицы, что и отмечено на видео. В тоже время, внутри этих каналов движение дисперсионной фазы в дисперсионной среде происходит достаточно хаотично. Но, в силу того, что каналы достаточно узкие (их ширина не превышает 0.1 мкм). хаотич-

^ Далее по тексту: I - песок молотый, II - шлам, III - НМ.

Удельную поверхность кварцевых компонентов определяли методом воздухопроницаемости с использованием прибора ПСХ-12. Sy„ для НМ указана со знаком «больше» в связи с тем, что предел измерения прибора ограничен удельной поверхностью в 5000 м /кг. н

4 Съемка проводилась с помощью поляризационного микроскопа ПОЛАМ Р-312

Исследования проводились в режиме видеосъемки, что не позволяет представить результаты в печатном виде.

ное движение микродисперсной фазы приводит в движение более крупные частицы, а общее движение такого «ручья» направлено в сторону заполнения пустот системы.

Активность кварцевых компонентов оценивалась по количеству аморфной фазы (табл. 1), брендстедовских кислотных центров, поглощенного СаО (табл. 2) и функциональных силанольных групп на поверхности твердой фазы

Отмечено, что максимальным количеством аморфной фазы характеризуется кварцевый песок, размолотый в шаровой мельнице сухим способом (табл. 1). Данный факт обусловлен механоактивацией, приводящей к формированию рентгеноаморфного слоя на поверхности частиц.

Минимальная концентрация аморфной фазы в кварце из шлама объясняется более быстрым помолом, расклинивающим действием воды, также выполняющей роль технологической смазки. В связи с этим формирование аморфизационного слоя затруднено. Наличие аморфной фазы в НМ в основном связано с наработкой в процессе помола в системе коллоидного компонента - геля кремниевой кислоты.

Отмечено увеличение в 2 раза активных бренстедовских центров на поверхности частиц твердой фазы и количества поглощенного СаО в 1,7 раза для НМ по сравнению со шламом (табл. 2). Это будет способствовать раннему связыванию гидроксида кальция при гашении извести в формовочной смеси и позволит сократить предварительную выдержку массивов до автоклавирования.

Таблица 2

активность кремнеземистых компонентов по отношению к Са(ОН)2,

измеренная различными способами

Компонент Количество активных бренстедовских кислотных центров, мгэкв/г Количество поглощенного СаО по методу Запорожца, мг/г

Песок молотый 18 022

Шлам 11 0,18

Нанострукгурированный модификатор 36,25 0,31

Для подтверждения полученных данных образцы кварцевых компонентов были исследованы на предмет формирования связей на поверхности измельчаемых материалов. Эксперимент заключался в сравнении спектров воды в результате температурно-программируемой десорбции

Таблица 1

Расчетный фазовый состав кварцевых компонентов__

Компонент Содержание, %

Кварц Рентгено-аморфная фаза

Песок молотый 80 20

Шлам 98 1

Нанострукгурированный модификатор 92 8

(ТПД) с поверхности исследуемого молотого песка, шлама и НМ5. Для проведения испытаний все образцы предварительно высушивались до постоянной массы.

По результатам исследований установлено, что для молотого песка не характерно выделение воды, для шлама и НМ наблюдается десорбция воды (рис. 4). При этом для образца НМ количество десорбирующейся воды больше.

■ I ■ 1-1-1-■-[—

О 100 200 300 400

Тетрега1иге, °С

Рис. 4. Масс-спектры термопрограммируемой десорбции воды, полученные от образцов молотого песка (1), шлама (2) и НМ (3)

Обнаружено 2 формы десорбирующейся воды: легкосвязанная - пик десорбции 90-340 °С, и прочносвязанная - пики в области более 370 "С. Наличие легкосвязанной - физически сорбированной воды - обусловлено сорбцией воды на функциональных группах поверхности, прочносвязанная - образуется при конденсации этих функциональных групп. При этом интенсивность обоих пиков больше для образца НМ, что указывает на большее содержание функциональных силанольных групп на поверхности этого образца. Формирование функциональных групп на поверхности образцов приводит к появлению реакционной способности не только по отношению к воде, но и другим химическим соединениям.

Получение ячеистых композитов автоклавного твердения основано на прохождении нескольких технологических этапов: доавтоклавное струк-

5 Исследования проводились в Центре коллективного пользования сорбционных и каталитических исследований Томского государственного университета на хемосорбционном анализаторе СЬегтзогЬ.

турообразование и автоклавная обработка. Для изучения влияния НМ на структурообразование в указанные периоды его вводили в систему взамен цемента, входящего в состав смешанного вяжущего. Содержание модификатора составляло от 10 с шагом 10 до 50 % и 100 %.

Установлено, что увеличение содержания наноструктурированного модификатора в смеси приводит к интенсификации процесса газообразования и вспучивания смеси с большим приростом объема (рис. 5). В образцах с полной заменой цемента на НМ наблюдается быстрый набор объема ячеистобетонной смеси. Процессы газовыделения и вспучивания заканчиваются через 15 минут. При этом прирост объема газобетона на 30 % выше по сравнению с составом на цементе. Это обусловлено более низкой плотностью кремнеземного компонента в ячеистобетонной смеси по сравнению с цементом (2650 и 3100 кг/м3 соответственно) с одной стороны, и более высокой дисперсностью НМ относительно цемента с другой.

Время, с

Рис. 5. Кинетика вспучивания газобетонной смеси в зависимости от количества НМ Изучение реологических характеристик ячеистобетонных смесей с различным содержанием НМ производили при нормальной температуре и температуре, соответствующей выдержке массивов (40—50 °С). Введение наноструктурированного модификатора взамен цемента в состав смесей при комнатной температуре приводит к снижению начальной вязкости суспензий (рис. 6, а). При этом при содержании НМ в системе в количестве 50 и 100 % наблюдается повышение вязкости, что связано с увеличением количества тонкодисперсной фракции в системе, что приводит к дефициту технологической смазки между частицами, а также повышенной активностью модификатора по сравнению с остальными кварцевыми компонентами смеси и формированием дополнительных связей в системе.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Градиент скорости сдвига, с"^

80 100 120 140 160 180 200 220

б Градиент скорости сдвига, с"1

Рис. 6. Зависимость вязкости газобетонных смесей от количества НМ: а) при нормальной температуре; б) при температуре созревания массивов

Анализ реологических кривых, полученных при температуре созревания массивов (рис. 6, 6), свидетельствует о высокой начальной вязкости смесей с большим содержанием модификатора (более 30 %). Это обусловлено формированием прочной пространственной структуры в смеси за счет взаимодействия гидроксида кальция и высокоактивного компонента -

наноструктурированного модификатора. Ячеистобетонная смесь с содержанием НМ в количестве 10 % характеризуется меньшей начальной пластической вязкостью по сравнению с контрольным и бесцементным составами, что связано с формированием в системе оптимального количества тонкодисперсного активного компонента, способного вступать во взаимодействие с гидроксидом кальция без загущения системы.

Для изучения влияния НМ на физико-механические характеристики газобетона образцы проходили автоклавную обработку на ОАО «Аэробел» по режиму 2+9+2 ч при давлении 1,6 МПа.

Количество модификатора, % Рис. 7. Зависимости плотности и прочности газобетона от состава формовочной смеси

Установлено, что увеличение содержания наноструктурированного модификатора способствует, в первую очередь, снижению плотности газобетона (рис. 7). При этом полное исключение цемента из состава формовочной смеси позволяет получить теплоизоляционные материалы класса плотности Б350 с классом по прочности ВО,75. В настоящее время производство такого класса газобетона затруднено. Это связано с высокой плотностью портландцемента, входящего в состав связующего компонента. При этом до настоящего времени отказ от цемента был невозможен, поскольку такие материалы характеризовались низкими прочностными свойствами сырца.

Увеличение количества модификатора в системе способствует также повышению прочностных характеристик газобетона. Стоит отметить, что при содержании НМ в диапазоне 20-40 % наблюдается незначительное увеличение предела прочности при сжатии, превышающее значения для контрольного состава на 5-15 %, однако, класс бетона по прочности при этом сохраняется равным В3,5.

Оптимальным с точки зрения физико-механических характеристик готовых изделий конструкционно-теплоизоляционного назначения является введение НМ в количестве 10 %. В данном случае при сохранении класса по плотности 0500 наблюдается повышение прочности на 25 % по сравнению с контрольным составом. Это позволяет получать материалы заданной плотности с более высоким классом по прочности, повысив его с В3,5 до В5.

На основании проведенных исследований были предложены составы газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктуриро-ванного модификатора конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения (табл. 3).

Свойства силикатных материалов автоклавного твердения напрямую зависят от состава цементирующего вещества, формирующегося в процессе твердения материалов в условиях гидротермального синтеза. Поэтому было изучено влияние высокоактивного компонента наноструктурирован-ного модификатора на фазо- и структурообразование газобетона в гидротермальных условиях. Объектом исследования являлись модельные композиции «цемент - известь - кремнезем» с различным содержанием НМ. Соотношение СаО/8Ю2 оставалось постоянным для всех составов.

Отличительной особенностью фазообразования вяжущей композиции контрольного состава после автоклавирования (рис. 8), является формирование наряду с низкоосновными гидросиликатами кальция тобермориго-вой группы, высокоосновных гидросиликатных фаз, в частности, альфа-гидрата двухкальциевого силиката.

~ О - шарц £

Р ■ ПОрТЛЗНДНТ

- С - кальцит

А - ллит ТВ-С,АР

Т -11А тобериормт ^ Р • Сл^ЗЮд Нр (а^БН)

1 - естественное твердение;

2 ■ после автоклавной обработки.

4 24 32 40 4в 56 64 72 80

2» С!

Рис. 8. Рентгенограммы композиции «цемент - известь - кварцевый песок» до и после автоклавной обработки

о\ сп со К) - Ь * И ¡о*

Известь Состав формовочной смеси, %

р си Гипс

о-* оо Песок

р Алюминиевая пудра

1 о К) Сч 00 ю о Цемент

м о о 00 о\ ю 1 Наноструктурированный модификатор

о V а

со -и и> ■Ь. СП ю оч \о ю СИ о --1 СИ со о Плотность, кг/м3 Свойства изделий

Б350 Б450 Б500 Б500 Б500 Б500 Б500 Марка по плотности

о оо 4=. О К) со Ъ\ 4^ оо ю СИ 1—» 4*. "м Предел прочности при сжатии, МПа

ВО,75 И N3 "сп Ю и> "сп В3,5 аз СИ ю СИ В3,5 Класс по прочности

0,081 0,095 | 0,102 0,107 ш'о 0,115 0,121 Теплопроводность, Вт/(м-°С)

0,245 0,215 0,209 0,210 0,211 0,211 0,212 Паропроницаемость, мг/(м'ч-Па)

СП -о СИ СП --о СИ <1 СИ о о СИ Морозостойкость, циклов

о

о

о

н

ш

а

О

а

о

Х<

О

Н

ш

01

1

и

ы

о

01

о

н

о

X

и

ш

а

н

о

и

а

X

о

-!

о

-1

а

о

■а

Зэ

(0

X

а

о

X

о

а

о

з

С

о

ш

и

X

га

г

X

и

X

о

о

■3

<

•о

X

тз

о

ш

и

X

X

о

-1

о

2

о

Ь

X

■В-

X

X

а н

о ■о и 01 & с

с

ш

со

Образование высокоосновных С-5-Я фаз в исследованных системах объясняется следующим образом. Для сохранения соотношения СаО/8Ю2 в системе, при замене цемента на НМ уменьшали количество кварцевого компонента с 8УД=300-350 м2/кг. При сохранении общего количества кремнезема в системе увеличивалось содержание высокоактивной фазы.

В составах без наноструктурированного модификатора в системе СаО-БЮг-Н^О происходит пересыщение по известковому компоненту и соотношение СаО/ЗЮ2 приближается к 2. Таким образом, создаются условия для формирования высокоосновных гидросиликатов кальция. В частности, отмечается образование а-С28Н. Кристаллизация в вяжущей системе а-С^Я-образований негативно влияет на прочностные свойства.

Введение в систему активного кремнезема (НМ) способствует формированию условий для образования большего количества низкоосновных гидросиликатов кальция (рис. 9). Отмечается существенное уменьшение концентрации кристаллических высокоосновных а-С35Я-образований с одновременным монотонным увеличением концентрации низкоосновного 11 А-тоберморита (рис. 10). Увеличение содержания а-С28Н-фаз прямо пропорционально повышению прочности композитов. При этом, нелинейный характер зависимости концентрации а-С25Я-фазы от содержания НМ исключает интерпретацию достигнутого эффекта как аддитивного результата разбавления системы. В результате , указанных процессов в системе формируется оптимальное соотношение низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, что способствует не только повышению прочностных характеристик автоклавного газобетона с использованием наноструктурированного модификатора, но и его долговечности в процессе эксплуатации.

- О-кварц а - Р - портландит - С -кальцит А-алит 1 Т - 11А тоберморит : Р-Са^|04 Н/) (а-С^Н) : а Р * тДЪ 1-НМ-10% 2 - НМ - 30% : 3 - НМ - 50% С ; )

г 1у— рА ^ Р °

8 16 24 32 40 48 56 64 72 80

20,°)

Рис. 9. Рентгенограмма композиции «цемент - известь - кварцевый песок (+НМ)» после автоклавной обработки

Описанные процессы фазообразования подтверждаются результатами микроскопических исследований межпоровой перегородки как наиболее важной структурной зоны ячеистого композита, определяющей его плотность и прочность (рис. 11).

Рис. 10. Изменение фазового состава образцов в зависимости от концентрации НМ В образцах контрольного состава структура основной массы неоднородна: имеются участки «обнаженных» зерен кварца и области роста игольчатых фаз и «стеблевидных» новообразований предположительно 11 А-тоберморита (рис. 11, а). Обнаружены призматические кристаллы размером в сечении до 1 мкм, которые, по имеющимся кристаллохимиче-ским данным, можно отнести к описанным выше сс-СЖ-фазам (рис. 12).

Введение в систему НМ существенно меняет картину. При 10 %-замене цемента на НМ наблюдается достаточно однородный рост кристаллических форм гидросиликатов кальция тоберморитовой группы, являющихся основным носителем прочностных свойств автоклавных материалов (рис. 11, б). Они представляют собой досчатые образования шириной до 1 мкм. Формирование такой структуры дает возможность повысить прочность композитов в сравнении с контрольным составом.

При исключении из состава вяжущего цемента (100%-ая замена на НМ) структура характеризуется минимальным размером новообразованных кристаллов (рис. 11, в). Основная масса представлена рентгеноаморф-ными скрытокристаллическими фазами. Также, в структуре имеется микродисперсный кварц с явными следами растворения и хорошей адгезией новообразований к их поверхности.

Анализ микроструктуры образцов газобетона различных составов позволил сделать вывод о соответствии наблюдаемых морфоструктурных

30 т-

■3

о +............—-..........-.....—----------------г—.....—------------------------;

0 10 20 30 40 50

Количество наноструктурированного модификатора, %

особенностей газобетона и результатов исследований фазового состава новообразований до и после автоклавирования. Фазово-структурные особенности разработанных составов газобетона подтверждают выдвинутую гипотезу и объясняют улучшение физико-механических характеристик изделий автоклавного твердения.

Рис. 11. Микроструктура межпоровой перегородки газобетона различного состава после автоклавной обработки: а - контрольный состав на цементе; б - при 10 %-замене цемента НМ; в - при 100 %-замене цемента НМ

Предложена технология производства автоклавного газобетона с использованием наноструктурированного модификатора, включающая следующие операции: получение наноструктурированного модификатора, приготовление известково-песчаного вяжущего, песчаного шлама и суспензии алюминиевой пасты, смешение указанных компонентов, заливка массивов и их вызревание, кантование и резка массива, автоклавирование.

Для внедрения результатов диссертационной работы разработан пакет нормативных документов. Полупромышленная апробация разработанных составов и технологии производилась на базе Опытно-промышленного цеха «Наност-руктурированных композиционных материалов» БГТУ им. В.Г. Шухова, авто-клавирование газобетонных изделий производилось на ОАО «Аэробел». Подписан протокол о намерениях с ООО «Стройкомпозит» о создании цеха по производству газобетона в рамках строящегося завода по выпуску ячеистых композитов автоклавного твердения.

Экономическая эффективность производства и применения разработанных материалов обусловлена использованием доступных сырьевых компонентов, рационально подобранными составами газобетона, позволяющими снизить количество цемента в смесях, а также получением материалов с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены принципы проектирования газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава, заключающиеся в оптимизации макро- и микроструктуры газобетона в доавтоклавный период и интенсификации фазообразования в гидротермальных условиях. НМ позволяет оптимизировать реотехнологиче-ские свойства ячеистобетонной смеси, что обеспечивает: плавный интенсивный процесс газообразования, приростом объема смеси, снижение времени вспучивания, снижение толщины межпоровой перегородки при сохранении требуемых прочностных характеристик готовых изделий.

Установлено влияние метода помола и дисперсности кремнеземистого компонента на его активность. Способы помола проранжированы по степени увеличения активности полученных кварцевых компонентов: мокрый помол сухой помол (оба до 8УД=300-350 м2/кг) -» мокрый постадийный помол с получением НМ (8УД>5000 м2/кг). При сухом помоле активность компонентов обусловлена аморфизацией поверхности твердой фазы за счет механоактивации; при мокром постадийном - формированием высокоактивной коллоидной фракции. Показано, что коллоидная фракция НМ характеризуется самопроизвольным течением, приводящим к формированию самоорганизующейся плотноупакованной структуры сырьевой смеси. Установлено, что реакционная способность НМ обеспечивается большим

Рис. 12. Морфология кристаллов а-Сг-Э-Н в структуре образцов с цементом

количеством активных брендстедовских кислотных центров и гидроксиль-ных функциональных групп на поверхности частиц твердой фазы, способных к физическому и химическому взаимодействию, что определяет ее реакционную способность.

2. Установлены особенности фазообразования в системе «цемент - известь - кремнезем» в гидротермальных условиях в присутствии НМ силикатного состава, заключающиеся в том, что реакционно-активный компонент НМ способствует смещению С-Б-Н-фазообразования в низкоосновную область и снижению концентрации альфа-гидрата двухкальциевого силиката В системе формируется оптимальное соотношение низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, что способствует повышению прочностных характеристик газобетона и его долговечности.

3. Обоснована целесообразность использования добавок на меламин-формальдегидной основе для пластификации наноструктурированного модификатора силикатного состава. Оптимальное содержание пластификатора составляет 0,1 %.

4. Предложены составы газобетона автоклавного твердения конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения с марками по плотности 0350-0500 и классами по прочности ВО,75, В2,5-В5.

5. Предложена технология производства автоклавного газобетона с использованием наноструктурированного модификатора. Для внедрения результатов диссертационной работы разработан пакет нормативных документов.

6. Полупромышленная апробация разработанных составов и технологии производилась на базе Опытно-промышленного цеха «Наноструктури-рованных композиционных материалов» БГТУ им. В.Г. Шухова, автоклави-рование газобетонных изделий производилось на ОАО «Аэробел». Подписан протокол о намерениях с ООО «Стройкомпозит» (Якутия) о создании цеха по производству газобетона в рамках строящегося завода по выпуску ячеистых композитов автоклавного твердения.

7. Экономическая эффективность производства и применения разработанных материалов обусловлена использованием доступных сырьевых компонентов, рационально подобранными составами газобетона, позволяющими снизить количество цемента в смесях, а также получением материалов с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фомина, Е.В. Возможность расширения сырьевой базы в производстве силикатных материалов автоклавного твердения / Е.В. Фомина, Е.И. Ходыкин, Н.И. Алтынник // Достижения и проблемы материаловедения и модернизация строительной индустрии: Материалы 15 Академических

чтений РААСН - Международной научно-практической конференции / Казанский государственный архитектурно-строительный университет. Т. 2. - Казань, 2010. - С. 196-200.

2. Фомина, Е.В. Повышение эффективности изделий автоклавного твердения за счет управления процессом структурообразования композиционных вяжущих / Е.В. Фомина, Н.И. Алтынник // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2010» [Электронный ресурс].

3. Алтынник, Н.И Композиционное вяжущее для силикатных автоклавных материалов на основе природного наноструктурированного сырья / Н.И. Алтынник, Е.В. Фомина // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сб. докл. Международной научно-практической конференции, Белгород , 5-8 октября 2010 г. / Белгородский государственный технологический университет. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. - Ч. 1. - С. 32-35.

4. Фомина, Е.В. Регулирование реологических характеристик смеси вяжущего при формировании ячеистой структуры изделий автоклавного твердения / Е.В. Фомина, Н.И. Алтынник, В.В. Строкова, В.В. Нелюбова, А.Б. Бухало // Строительные материалы. - 2011. - № 9. - С. 33-35.

5. Алтынник, Н.И Методы повышения эффективности производства автоклавного газобетона / Н.И. Алтынник, В.В. Нелюбова, Е.В. Фомина // Инновационные материалы и технологии: Международной научно-практической конференции, Белгород, 11-12 октября 2011 г. / Белгородский государственный технологический университет. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. 4. - С. 7-9.

6. Нелюбова, В.В. Некоторые особенности повышения эффективности ячеистых композитов автоклавного твердения / В.В. Нелюбова, Е.В. Фомина, Н.И. Алтынник, И.И. Подгорный // Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб. науч. трудов по материалам 2 Всерос. науч.-прак. конф., Саратов, 2012 г. / Саратов, 2012. - С 45-48.

7. Нелюбова, В.В. Анализ свойств силикатных ячеистых материалов с использованием наноструктурированного модификатора на основе крем-неземсодержащего сырья / В.В. Нелюбова, И.И. Подгорный, Н.И. Алтынник, Е.В. Фомина // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Улан-Удэ, 2012 г. / Восточ.-Сибир. государ, универ. технолог, и управл. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. - С. 164-165.

8. Нелюбова, В.В. Лабораторный автоклав для гидротермального синтеза строительных материалов / В.В. Нелюбова, Д.А. Чареев, В.В. Строко-

. ва, Е.В. Фомина, Н.И. Алтынник, Е.Г. Осадчий // Строительные материалы. - 2012. - № 3. - Приложение Наука. - С. 18-19.

9. Пат. 2448929 Российская Федерация МПК С04В 38/02, В82В 1/00. Сырьевая смесь и способ ее получения для наноструктурированного автоклавного газобетона / Строкова В.В., Череватова A.B., Лесовик B.C., Не-любова В.В., Буряченко В.А., Алтыниик Н.И.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова). - № 2010136094/03. Заявл. 01.09.2010. Опубл. 27.04.2012. Бюл. № 12. - 12 с.

10. Подгорный, И.И. Некоторые особенности рынка газобетона / И.И. Подгорный, Н.И. Алтынник // Международная научно-практическая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова: электр. сб. докл. Меж-дунар. науч.-практ. конф., Белгород, 2012. - С. 604-607.

11. Nelubova Victoria Autoclaved composites with nanostructured additive / Victoria Nelubova, Valeria Strokova, Alia Cherevatova, Nataliya Altynnik, Konstantin Sobolev // XXII International Materials Research Congress - MRS -2013, Cancun, Mexico, 2013 [Электронный ресурс].

12. Алтынник, Н.И. Ячеистые материалы автоклавного твердения с модифицирующими компонентами / Н.И. Алтынник, И.И. Подгорный, М.Ю. Алтунина, В.В. Нелюбова // Сборник научных трудов по материалам 1-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсоэнерго-эффективные технологии в строительном комплексе региона», Саратов, 19-21 Апреля 2013. - Саратов, 2013. - С. 42-44.

13. Подгорный, И.И. Автоклавный газобетон, модифицированный на-ноструктурированным вяжущим / И.И. Подгорный, Н.И. Алтынник, М.Ю. Алтунина, В.В. Нелюбова // Будущее технической науки: сборник материалов XII Международной молодежной научно - технической конференции; НГТУ им. P.E. Алексеева. - Нижний Новгород, 2013. - С. 298-299.

14. Строкова, В.В. Фазообразование в системе «цемент - известь -кремнезем» в гидротермальных условиях с использованием наноструктурированного модификатора / В.В. Строкова, В.В. Нелюбова, Н.И. Алтын-инк, И.В. Жерновский, Е.Г. Осадчий // Строительные материалы.- 2013. -№9.-С. 30-32.

15. Алтынник Н.И. Газобетон автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора: монография / Н.И. Алтынник, В.В. Нелюбова, В.В. Строкова, И.В. Жерновский. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2013.- 105 с.

АЛТЫННИК Наталья Игоревна

ГАЗОБЕТОН АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 22.07.13. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,4.

Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 110 экз. Заказ №362

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

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В. Г. ШУХОВА

АЛТЫННИК НАТАЛЬЯ ИГОРЕВНА

ГАЗОБЕТОН АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

О

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Строкова В. В.

Белгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.................................................... 8

1.1 Основные тенденции и особенности применения наноразмерных компонентов в строительном материаловедении... 8

1.2 Рынок газобетона автоклавного твердения.......................... 12

1.3 Способы повышения эффективности производства автоклавного газобетона...................................................... 21

1.4 Особенности фазообразования в системах СаО - ЭЮг - Н20,

СаО - А120з - БЮг - Н20 в условиях гидротермального синтеза.... 27

1.5 Технологические особенности производства газобетона автоклавного твердения....................................................... 31

1.6 Выводы...................................................................... 35

2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ...................................................................... 37

2.1 Методы исследования.................................................... 37

2.2 Методика получения материалов....................................... 44

2.2.1 Методика получения

наноструктурированного модификатора............................... 44

2.2.2 Методика получения образцов газобетона..................... 45

2.3 Характеристика сырьевых материалов................................ 46

2.4 Выводы....................................................................... 50

3 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ДО АВТОКЛАВНОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПОРИЗОВАННЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА................ 51

3.1 Состав и свойства наноструктурированного модификатора..... 51

3.2 Влияние способа механоактивации на активность кремнеземистых компонентов............................................... 58

3.3 Реотехнологические свойства формовочной смеси в зависимости от концентрации наноструктурированного модификатора...... 72

3.4 Особенности формирования макроструктуры ячеистой матрицы с использованием наноструктурированного модификатора................................................................... 80

3.5 Выводы...................................................................... 87

4 СВОЙСТВА АВТОКЛАВНОГО ГАЗОБЕТОНА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА................................................................ 88

4.1 Свойства газобетона в зависимости

от состава сырьевой смеси................................................... 88

4.2 Особенности фазообразования цементирующего вещества газобетона с использованием наноструктурированного модификатора................................................................... 96

4.3 Микроструктура синтезированных материалов

в зависимости от состава...................................................... 103

4.4 Выводы...................................................................... 116

5 ТЕХНОЛОГИЯ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА АВТОКЛАВНОГО ГАЗОБЕТОНА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА................................................................ 118

5.1 Особенности технологии производства поризованных силикатных автоклавных материалов с использованием наноструктурированного модификатора.................................... 118

5.2 Технико-экономическое обоснование применения наноструктурированного модификатора в качестве компонента газобетона автоклавного твердения.......................................... 128

5.3 Внедрение результатов исследований................................. 134

5.4 Выводы........................................................................ 136

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................... 138

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................... 142

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................... 158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В настоящее время одним из распространенных строительных материалов, используемых для возведения гражданских и промышленных зданий, является автоклавный газобетон. Это обусловлено тем, что он сочетает в себе высокие прочностные показатели с хорошими теплоизолирующими свойствами. Однако, ежегодно возрастающие требования потребителей приводят к необходимости повышения качества выпускаемых изделий. Добиться этого возможно как за счет использования технологических приемов, так и корректировки состава газобетона путем введения различных модифицирующих компонентов.

В последнее время одним из способов повышения эксплуатационных характеристик строительных материалов является использование наносистем природного и техногенного происхождения. Введение модифицирующих компонентов наноразмерного уровня в состав строительных композитов способствует направленному формированию их структуры и позволяет получать изделия с заранее заданными свойствами.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации: государственный контракт 16.740.11.0770; соглашение 14.В37.21.1218; государственное задание 3.4601.2011; программа стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

Цель и задачи работы. Повышение эффективности производства газобетона автоклавного твердения за счет использования наноструктурированного модификатора силикатного состава.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование влияния способа механоактивации кремнеземистого сырья на его активность;

- изучение особенностей поризации, формирования макро- и микроструктуры газобетона в доавтоклавный период в зависимости от состава формовочной смеси;

- подбор составов и технологии производства автоклавного газобетона с наноструктурированным модификатором;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.

Научная новизна работы. Предложены принципы проектирования газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава, заключающиеся в оптимизации макро- и микроструктуры газобетона в доавтоклавный период и интенсификации фа-зообразования в гидротермальных условиях. НМ позволяет оптимизировать реотехнологические свойства ячеистобетонной смеси, что обеспечивает: плавный интенсивный процесс газообразования, приростом объема смеси, снижение времени вспучивания, снижение толщины межпоровых перегородок при сохранении требуемых прочностных характеристик готовых изделий.

Установлено влияние метода помола и дисперсности кремнеземистого компонента на его активность. Способы помола проранжированы по степени увеличения активности полученных кварцевых компонентов: мокрый помол —> сухой помол (оба до 8уд=300-350 м /кг) —> мокрый постадийный помол с

-у

получением НМ (8уд>5000 м /кг). При сухом помоле активность компонентов обусловлена аморфизацией поверхности твердой фазы за счет механоактива-ции; при мокром постадийном - формированием высокоактивной коллоидной фракции. Показано, что коллоидная фракция НМ характеризуется самопроизвольным течением, приводящим к формированию самоорганизующейся плотноупакованной структуры сырьевой смеси. Установлено, что реакционная способность НМ обеспечивается большим количеством активных брендстедовских кислотных центров и гидроксильных функциональных групп на поверхности частиц твердой фазы, способных к физическому и химическому взаимодействию, что определяет ее реакционную способность.

Установлены особенности фазообразования в системе «цемент - известь - кремнезем» в гидротермальных условиях в присутствии НМ силикатного состава, заключающиеся в том, что реакционно-активный компонент НМ способствует смещению С-8-Н-фазообразования в низкоосновную область и снижению концентрации альфа-гидрата двухкальциевого силиката. В системе формируется оптимальное соотношение низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, что способствует повышению прочностных характеристик газобетона и его долговечности.

Практическое значение работы. Обоснована целесообразность использования добавок на меламинформальдегидной основе для пластифика-

ции наноструктурированного модификатора силикатного состава. Оптимальное содержание пластификатора составляет 0,1 %.

Предложены составы газобетона автоклавного твердения конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения с марками по плотности БЗ 50-0500 и классами по прочности ВО,75, В2,5-В5.

Предложена технология производства газобетона автоклавного твердения с учетом использования наноструктурированного модификатора.

Внедрение результатов исследований. Полупромышленная апробация разработанных составов и технологии производилась на базе Опытно-промышленного цеха «Наноструктурированных композиционных материалов» БГТУ им. В.Г. Шухова, автоклавирование газобетонных изделий производилось на ОАО «Аэробел». Подписан протокол о намерениях с ООО «Стройкомпозит» (Якутия) о создании цеха по производству газобетона в рамках строящегося завода по выпуску ячеистых композитов автоклавного твердения.

Для внедрения результатов работы разработаны следующие технические документы:

- рекомендации по применению наноструктурированного модификатора в качестве компонента при производстве газобетона автоклавного твердения;

- стандарт организации СТО 02066339-004-2013 «Газобетон автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора»;

- технологический регламент на производство газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Наносистемы и трансфер технологий», а также магистров по направлению 270800.68 «Строительство» профилей «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и «Наносистемы в строительном материаловедении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производ-

стве строительных материалов» (Пенза, 2009); Международном молодёжном научном форуме «Ломоносов-2010» (Москва, 2010); XV академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012); Международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (Улан-Удэ, 2012); XII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2013); Международной научной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 14 научных публикациях, в том числе в 3 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На составы и способ получения газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора получен патент RU 2448929 С04.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 188 странице машинописного текста, включающего 28 таблиц, 33 рисунка и фотографии, списка литературы из 162 наименований, 8 приложений.

На защиту выносятся:

— принцип проектирования газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава;

- зависимости активности кремнеземистых компонентов от способа его получения и дисперсности;

- механизмы формирования макро- и микроструктуры газобетона в до-автоклавный и автоклавный период;

— особенности фазообразования газобетона автоклавного твердения в присутствии наноструктурированного модификатора силикатного состава;

- оптимальные составы и технология газобетона автоклавного твердения конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения. Результаты апробации.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Сегодня темпы строительства индивидуального жилья возрастают с каждым годом. Для этого промышленность предлагает широкую номенклатуру строительных материалов. При этом использование в данном случае ячеистых композитов является одним из решений проблемы удорожания энергоносителей, способствует снижению трудо- и энергозатрат при производстве строительных работ, сокращению эксплуатационных расходов и повышению уровня комфортности проживания.

Одним из основных представителей ячеистых бетонов является газобетон автоклавного твердения. Преимущества газобетона - отличная теплоизоляция, негорючесть, долговечность и экономичность - делают его весьма конкурентоспособным на современном рынке строительных материалов.

1.1. Основные тенденции и особенности применения наноразмерных компонентов в строительном материаловедении

Одним из актуальных направлений развития промышленности строительных материалов является создание новых и совершенствование существующих технологий. Совершенствование структуры и свойств существующих строительных материалов может быть достигнуто применением нанос и-стем и применением нанотехнологических подходов.

В настоящее время для модификации строительных композитов предлагается использование широкого комплекса природных и синтезированных наносистем.

Коллективом авторов во главе с Г.И. Яковлевым предлагается модифицирование различных видов строительных материалов углеродными нанот-рубками (НТ). Так, введение НТ в состав бетонов на основе ангидрита способствует активации гидратации связующего компонента [1, 2]. При этом происходит повышение прочностных характеристик изделий при сохранении их теплопроводности.

Для равномерного распределения наномодификаторов по объему материалов предлагается диспергирование нанотрубок в гидродинамической установке в присутствии поверхностно-активных веществ [3, 4]. Применение данного способа диспергирования позволяет добиться повышения дисперсности углеродных нанотрубок в водной среде, а поверхностно-активное вещество обеспечивает стабилизацию суспензии и предотвращает процессы осаждения и седиментации, что способствует приросту прочности при сжатии и изгибе мелкозернистых бетонов.

Предложено использование НТ в качестве микроармирующего компонента при получении ячеистых композитов на основе цементных, известковых и ангидритовых вяжущих [5-7]. Установлено, что их введение позволяет оптимизировать поровую структуру материлов с их применением. При этом отмечается рост прочности на изгиб.

Стоит отметить, что использование наноматериалов в качестве микро-армирующих компонентов, является одним из наиболее эффективных способов повышения прочностных характеристик материалов [8]. Так, авторами установлено [9], введение нанотрубок в состав газобетона способствует упрочнению межпоровых перегородок. При этом в материале формируется закрытая пористость, что будет способствовать повышению его теплоизоляционных характеристик.

Еще одним представителем наноматериалом углеродного состава активно используемых для модификации композитов строительного назначения является фуллерены. Авторами [10-12] синтезирован и проведен полный анализ материалов фуллероидного типа, к которым относятся фуллереновая сажа, фуллеренол и другие.

В работах [13, 14] показано, что введение сравнительно небольших дозировок указанных наноматериалов увеличивает прочностные характеристики материалов с их применением. При этом водопотребность смеси остается неизменной. В случае же ячеистых композитов их введение способствует формированию равномерно распределенной по объему поровой системы с меньшим размером пор, что будет играть существенную роль в повышении долговечности композитов.

Для повышения технико-эксплуатационных характеристик материалов строительного назначения возможно использование наноматериалов природного происхождения. Так, Лукутцовой Н.П. [15, 16] обосновано использованием добавок на основе шунгита, что способствует существенному повышению прочности мелкозернистого бетона, снижению капиллярной пористости, что в совокупности создает предпосылки для управления процессами струк-турообразования композиционных материалов.

Коллективом авторов [17-20] разработан гранулированный нанострук-турированный заполнитель для легких бетонов конструкционно-теплоизоляционного назначения и установлены закономерности изменения �