автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих

На правах рукописи —

005538939

СУЛЕЙМАНОВА ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА

ГАЗОБЕТОН НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г 1 моя 2013

Белгород - 2013

005538939

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный консультант - член-корреспондент РААСН,

доктор технических наук, профессор Лесовик Валерий Станиславович

Официальные оппоненты - Сватовская Лариса Борисовна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», заведующая кафедрой инженерной химии и естествознания

- Воронин Виктор Валерьянович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов

- Урханова Лариса Алексеевна доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет», заведующая кафедрой производства строительных материалов и изделий

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится "18" декабря 2013 года в 14-30 час. на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова» по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В. Г. Шухова, отдел аспирантуры, тел. (4722) 55-95-78, факс (4722) 55-95-78, e-mail: aspir@intbel.ru.

Автореферат разослан "11 "ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор 7 Г.А. Смоляго

Актуальность. Экономия топливно-энергетических ресурсов, повышение эффективности тепловой защиты зданий и сооружений, внедрение энергоэффективных материалов и технологий являются приоритетными направлениями в развитии российской и мировой строительной индустрии.

Одним из эффективных строительных материалов на сегодняшний день является ячеистый бетон. На практике широкое применение нашли изделия из газобетонов автоклавного твердения, производство которых организовано на крупных автоматизированных предприятиях, требующих больших инвестиционных вложений.

Из ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на современном этапе развития малого и среднего бизнеса востребована технология неавтоклавного пенобетона, преимуществами которой является малая фондоемкость и малая себестоимость продукции.

Газобетон неавтоклавного твердения в настоящее время не находит должного применения в связи с отсутствием принципов управления процессами структурообразования композита для обеспечения его высоких эксплуатационных свойств.

Решение вопросов эффективного производства и применения ячеистых бетонов возможно на высокопоризованных материалах с заданными характеристиками, полученных с использованием композиционных вяжущих, применение которых обеспечит возведение энергоэффективных ограждающих конструкций с оптимальными технико-экономическими показателями.

Работа выполнена в рамках задания Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ 10200504559 «Управление процессами структурообразования цементного камня при синтезе высокоэффективных ячеистых бетонов» (2005-2009), МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом топоморфизма сырья» (2007-2008), 102007082232 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» (2007-2011), «Разработка теоретических основ получения высококачественных бетонов нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных модификаторов» (2010-2012) и Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг.

Цель работы. Повышение эффективности газобетонов неавтоклавного твердения за счет управления процессами формирования структуры в дисперсной системе с композиционным вяжущим.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- обосновать принципы формирования пористой структуры газобетонов неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих и разработать основы создания оптимальных структур высокопоризованных композитов;

- выявить роль ингредиентов в составе композиционного вяжущего и разработать принципы получения на его основе газобетона с улучшенными свойствами;

- разработать приемы управления свойствами формовочных смесей газобетона с малодефектной поровой структурой;

- разработать технологические приемы формирования структуры на начальных этапах твердения для повышения эффективности ячеистого бетона;

- установить взаимосвязь рецептурных и технологических факторов при получении неавтоклавного газобетона на композиционных вяжущих с улучшенными свойствами;

произвести промышленную реализацию результатов исследований и оценить их технико-экономическую эффективность.

Научная новизна работы. Выявлены закономерности процессов формирования структуры ячеистого бетона и разработаны принципы повышения эффективности неавтоклавных газобетонов за счет применения композиционных вяжущих, а также управления процессами формирования поровой структуры в трехфазной дисперсной системе и совершенствования технологических приемов изготовления ячеистобетонных изделий, заключающиеся в формировании состава и гранулометрии вяжущих, которые соответствуют структуре тонких межпоровых перегородок, управлении свойствами смесей для сочетания процессов порообразования и структурообразования с учетом целенаправленного воздействия на баланс сил, действующих в дисперсной системе при образовании поровой структуры.

Установлен характер влияния состава и гранулометрии компонентов композиционных вяжущих с наполнителями различного генезиса и модификаторов вяжущего на свойства ячеистобетонных смесей и характеристики неавтоклавного газобетона. Композиционные вяжущие с полимодальным распределением частиц обеспечивают формирование оптимальной микроструктуры цементного камня межпоровых перегородок за счет самоорганизации и плотной упаковки частиц, что способствует ускорению процессов структурообразования и повышению прочности на ранней стадии твердения газобетона.

Выявлена роль компонентов композиционных вяжущих на формирование свойств поризованных формовочных масс, что обеспечивает получение стабильных малодефектных пористых структур и повышение функциональных показателей качества неавтоклавных газобетонов. Предложено пять стадий роста пор и деление пор по размерам. В современных ячеистых бетонах со средней плотностью менее £>500 значимыми являются капиллярные явления за счет переменной кривизны поверхности газовых пор.

Выявлены особенности управления процессами образования ячеистой структуры газобетона, основанные на балансе сил в трехфазной дисперсной системе на модели «газовая пора -формовочная смесь» и предложена коалесцентно-агрегативная схема формирования пористости газобетонной смеси. Показано, что в соответствии с уточненным уравнением Рэлея-Плессета определяющим фактором при формировании ячеистой структуры газобетона является давление над поризуемой смесью, причем эффект поризации достигается за счет снижения внешнего давления до уровня вакуума, соответствующего 0,06...0,095 МПа. Учет фактора внешнего давления позволяет поризовать высоковязкие композиции с введением газообразователя, а также формировать пористую структуру композиций воздухом, вовлеченным и адсорбированным минеральным наполнителем композиционного вяжущего.

Развиты представления о динамике процесса формирования ячеистой структуры газобетонов неавтоклавного твердения как единичных ячеек, что позволило за счет использования разработанных композиционных вяжущих и технологических приемов производства улучшить свойства неавтоклавных газобетонов. Получены теплоизоляционный газобетон неавтоклавного твердения £>300, В\, X = 0,07 Вт/(м-°С), П 5; конструкционно-теплоизоляционный газобетон £>400,51,5, X = 0,08 Вт/(м °С), £50; £>500, В2,5, X = 0,10 Вт/(м °С), £50, которые превышают по характеристикам свойства традиционных ячеистых бетонов неавтоклавного твердения.

Практическая значимость. На основе выявленных закономерностей формирования пористой структуры обеспечена повышенная эффективность газобетона неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих. Стабильные малодефектные структуры способствуют получению улучшенных функциональных показателей качества неавтоклавных газобетонов. Это связано с одновременным управлением процессами структурообразования твердеющей системы на композиционных вяжущих в межпоровых перегородках за счет самоорганизации в системе, процессами формирования улучшенной

пористой структуры ячеистого бетона, а также совершенствованием технологических приемов изготовления изделий.

Композиционные вяжущие с содержанием клинкерной составляющей до 70 % и с прочностью на сжатие не менее 80 МПа получены за счет использования энергетического потенциала наполнителей различного генезиса при полимодальном распределении частиц вяжущего и модификатора вяжущего и управлении пористой структурой смесей на их основе. Разработаны математические модели и оптимизирован процесс производства неавтоклавного газобетона на композиционных вяжущих исходя из рецептурных и технологических факторов производства. Уточнена методика расчета количества газообразователя, учитывающая давление газа в порах вспучивающейся смеси, ее реологические свойства, среднюю плотность, высоту массива, внешнее воздействие на смесь, что в совокупности с характеристиками композиционных вяжущих способствует получению высокопоризованных композитов с заданными свойствами при минимальных затратах.

Установлена взаимосвязь между давлением газовой фазы в формовочной массе с ее реологическими и гравитационными свойствами, диаметром пор, давлением внешней среды и поверхностным натяжением раствора, уточнено уравнение Рэлея-Плессета, что позволило обосновать оптимальные режимы получения качественной высокопоризованной структуры с управлением внешним давлением газовой фазы, обеспечивающие возможность поризовать высоковязкие композиции и получать неавтоклавный газобетон с улучшенными свойствами.

Разработанные композиционные вяжущие и принципы управления процессами образования пористой структуры положены в основу технологии изготовления изделий из газобетона неавтоклавного твердения с улучшенными свойствами, технологии монолитного газобетона, технологии сухих строительных смесей для изготовления ячеистого бетона.

Разработана программа «Автоматизированное проектирование структуры ограждающих конструкций для энергоэффективного строительства» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010616561).

Результаты работы защищены патентами Российской Федерации и внедрены в учебный процесс.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятиях ООО «Экспериментальный цех Экостройматериалы», ООО «Экостройматериалы», ООО «ПромИндустрия», ОАО «БЗ ЖБК-1»,

ОАО «Стройдеталь», ООО «Поробетон», ООО «Стройколор ЖБК-1», ЗАО «Белгородский цемент» Белгородской области. Газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих применен при строительстве индивидуальных жилых домов, использован при обустройстве оснований под полы при строительстве Белгородской художественной галереи и в качестве теплоизоляции в колодцевой кладке стен.

Разработаны нормативные и технические документы:

стандарты организации СТО 02066339-008-2009 «Композиционное вяжущее для неавтоклавных ячеистых бетонов», СТО 02066339-002-2009 «Сухие строительные смеси для неавтоклавных ячеистых бетонов», СТО 02066339-003-2011 «Композиционное вяжущее для газобетонов»;

- технологические регламенты и рекомендации на производство блоков стеновых мелких из ячеистого бетона в ООО «ПромИндустрия», на производство сухих строительных смесей для пеногазобетонов в ООО «Экостройматериалы», на производство теплоизоляционного газобетона с композиционным вяжущим для монолитного строительства в ООО «Экспериментальный цех Экостройматериалы».

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство» и инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», что отражено в учебных программах дисциплин «Композиционные вяжущие» и «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», а также при выполнении НИР и выпускных квалификационных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 29 конференциях: Всесоюзная конференция «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении» (Белгород, 1989), Всесоюзные конференции «Актуальные проблемы снижения материалоемкости в строительстве» (Севастополь, 1989, 1990, 1991); Всесоюзное научно-практическое совещание «Экологические проблемы переработки вторичных ресурсов в строительные материалы и изделия» (Чимкент, 1990); Республиканская научно-техническая конференция «Перспективы технологии вяжущих, бетона и железобетона» (Алма-Ата, 1990); Международная научно-техническая конференция «Материалы для строительных конструкций XXI века» (Днепропетровск, 1992); Международная научно-техническая конференция «Резервы производства строительных материалов»

(Барнаул, 1997); Международная научно-практическая конференция «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2000, 2004, 2006); VII Академические чтения РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Белгород, 2001); Международная научно-практическая конференция «Экология -образование, наука и промышленность» (Белгород, 2002, 2004, 2006, 2011, 2012); Международный конгресс «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003, 2005); Международная научно-практическая конференция «Поробетон-2005» (Белгород, 2005); Proceedings of the International conference held at the University of Dundee (Scotland, 2005); Международная научно-практическая конференция «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2007, 2009, Махачкала - Ростов-на-Дону, 2010); 3-е (XI) Международное совещание по химии и технологии цемента (Москва, 2009); Академические чтения РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (Белгород, 2009,2010,2011,2012).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 120 научных публикациях, в том числе в 20 статьях научных журналов по списку ВАК РФ, отражены в пяти монографиях, четырех учебных пособиях под грифом УМО и 1 пособии, рецензируемом уполномоченным вузом, защищены 4 патентами РФ.

На защиту выносятся:

- представления об образовании, росте и характере организации пор в ячеистых бетонах;

- разработанные составы и технология производства композиционных вяжущих с учетом генезиса наполнителя и дисперсного состава композиции;

- характеристики и технологии производства изделий из газобетонов неавтоклавного твердения, в том числе с воздействием на баланс внутренних и внешних сил пористой системы;

- рецептурные и технологические приемы изготовления монолитного газобетона и сухих строительных смесей с улучшенными свойствами на композиционных вяжущих;

- результаты опытно-промышленной апробации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из

введения, восьми глав, выводов, списка литературы из 441 наименования и 15 приложений. Общий объем диссертации 390 страниц машинописного текста, включающих 147 рисунков и 76 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Реализация государственной жилищной политики предполагает развитие строительного комплекса и производства строительных

материалов, изделий и конструкций с применением инновационных, в том числе энергосберегающих технологий.

Энергоэффективность зданий в настоящее время - одна из важных задач по сохранению окружающей среды и снижению энергопотребления. Усиливается тенденция заблаговременной оптимизации энергорасходов при проектировании энергосберегающих поризованных материалов и строительстве зданий на их основе. К таким материалам относится ячеистый бетон, высокая технико-экономическая эффективность которого подтверждена отечественным и зарубежным опытом производства и применения.

Улучшению свойств и совершенствованию технологии ячеистых бетонов посвящены работы ведущих ученых в области строительного материаловедения: Ю.М. Баженова, А.Т. Баранова, К.И. Бахтиярова, П.И. Боженова, Ю.П. Горлова, Г.И. Горчакова, К.Э. Горяйнова, Г.Я. Кунноса, B.C. Лесовика, А.П. Меркина, В.А. Пинскера, Н.П. Сажнева, Г.П. Сахарова, Л.Б. Сватовской, И.Б. Удачкина, Е.М. Чернышова и др.

Разработка более совершенных способов поризации формовочных масс, а также путей совершенствования технологии неавтоклавных ячеистых бетонов и улучшения их физико-механических и эксплуатационных свойств обусловливает необходимость разработки принципов формирования пористой структуры материалов для улучшения качества неавтоклавных ячеистых бетонов и устранения имеющихся недостатков традиционных технологий.

В работе развиты теоретические положения по формированию пористой структуры неавтоклавного газобетона на макро-, микро- и наноуровнях.

Процесс формирования пористой структуры ячеистого бетона базируется на модельных представлениях о динамике расширяющейся газовой полости в жидкой фазе как единичной контрольной ячейки. В модельной прозрачной среде жидкого стекла на частицах алюминия образуются, перемещаются в среде и увеличиваются в размерах сферические газовые поры (рисунок 1).

Рисунок 1. Рост газовой поры в жидком стекле

Изменение радиуса газовой поры R(t) в динамической инерционной схеме взаимосвязано с изменением давления в газовой поре (Рц) и среде (Ра) при плотности среды рж уравнением Рэлея:

2 Рж

Ускоренно растущая в ячеистобетонной смеси пора вовлекает в ускоренное движение определенную массу водовяжущей смеси. Величина присоединенной массы для сферической поры:

т = ^РжК\ (2)

В связи с тем, что плотность газообразного водорода (рг) значительно ниже плотности водовяжущей среды (рж), динамику ускоренного движения определяет преимущественно величина присоединенной массы.

Динамические эффекты расширяющейся газовой поры, связанные с характеристиками окружающей непрерывной среды, обусловлены инерцией ячеистобетонной смеси и ее вязкостью (г/). В динамической вязкой схеме перепад давлений в газовой и жидкой фазе определяется соотношением

За счет кривизны поверхности давление на границе поры со стороны смеси при поверхностном натяжении на границе раздела фаз а связано с давлением газа Рг уравнением Лапласа в форме:

Pf=Pr-2aH(z), (4)

где H(z) - кривизна поверхности поры в предположении ее ассиметричности.

С применением аппарата теории подобия для характеристики газобетонной смеси использованы следующие оценки:

- силы инерции f, ~ ржу/;

- силы тяжести (архимедовы силы): fg~ gip-ж- pr)l;

- силы вязкости/п~г]ж w/l;

- силы поверхностного натяжения fa~ all, где w - скорость, / - размер.

Для технологии ячеистых бетонов важным является то, что из указанных сил только сила поверхностного натяжения направлена на придание поре сферической формы за счет стремления к минимальной избыточной свободной энергии границы раздела фаз. Три остальные силы в общем случае обусловливают деформацию поры.

Условие сферичности газовой поры предопределяется преобладанием капиллярных сил и имеет вид: В0 (число Бонда) « 1;

IV,, (число Вебера) « 1; Ипа (вязкостно-капиллярный критерий) « 1. Оценку устойчивости определяет статистическое условие недеформируемости сферической газовой поры, количественно характеризуемое числом Бонда В0 = 1.

Газовые поры с О < 2 мм в смесях ячеистого бетона отнесены к порам устойчивой формы. Соответственно, поры с В > 2 мм имеют в ячеистобетонных смесях неустойчивую форму.

На основании анализа баланса сил предложено деление пор в ячеистом бетоне по размерам. Выделено семь областей.

Области 1 и 2 являются известными для вяжущих систем соответственно гелевой и капиллярной пористостью.

Область 3. Капиллярно-газовые поры. Данная область является переходной от капиллярных к газовым порам с размерами от 1 до 10 мкм. Выделение области констатирует факт образования сферических

газовых пор в структуре ячеистого бетона. Характерная особенность мелких газовых пор состоит в кристаллизации гид-ратных новообразований во внутрь сферы

Рисунок 2. Кристаллизация гидратных газового пузырька

новообразований во внутрь сферы газовой поры (рисунок 2).

Область 4. Мембранные газовые поры (рисунок 3) с размерами от 10' до 102 мкм. В зависимости от средней плотности ячеистого бетона форма пор близка к сферической, но может изменяться от приближенной сферической до эллипсоидальной.

Область 5. Ячеистые поры (рисунок 4) являются основными в объеме ячеистого бетона, предопределяют название материала и его свойства. Размер ячеистых пор составляет

от £> = 0,1 мм до й = 2 мм. Масштаб области, в которой силы поверхностного натяжения и силы тяжести соизмеримы, определен капиллярной постоянной или постоянной Лапласа:

^&(Рж ~ Рг)

В ячеистобетонной смеси газовые поры с диаметром более 100 мкм отнесены к деформируемым за счет силы тяжести смеси.

Рисунок 3. Мембранные газовые поры

поры с диаметром от 0,1 до 2 мм являются устойчивыми, но деформируемыми.

Мембранные поры с £<80 мкм относятся к недеформируемым порам по критерию статических условий недеформируемости Рисунок 4. Ячеистые газовые поры сферической газовой поры.

Область 6. Воздухововлеченные газовые поры (рисунок 5) аппроксимированы к форме перевернутого усеченного конуса с основанием и вершиной в виде полусфер и высотой, равной двойной сумме радиусов полусфер (рисунок 5, в).

а)***—.____б) _____

/г = 2/г, + 2Я2 + к*

Ячеистые газовые

/г = 2Я, + 2Я2

Рисунок 5. Воздухововлеченные газовые поры (а, б) и аппроксимация форм воздухововлеченных пор: в - коническая с соприкасающимися сферами; г - эллипсоидальная

За счет действия капиллярных сил форма воздухововлеченных пор не может иметь прямых боковых поверхностей. Более адекватной аппроксимацией является эллипсоидальная форма поверхности поры с тремя радиусами кривизны К\<Я2< Лз (рисунок 5, г).

Область 7. Сегментные поры (рисунок 6). Крупные газовые поры образуются при каждом формовании в технологии автоклавного газобетона, приводят к прорывам поверхности смеси и выбросам из нее газа, что вызывает осадку смеси в формах. Оставаясь в массиве ячеистобетонной смеси, сегментные поры нарушают сплошность структуры ячеистого бетона с образованием «трещин» (рисунок 7).

Рисунок 6. Идеализированная форма сегментной поры

Перспективы технологии газобетона связаны со снижением максимального

среднего размера ячеистых пор, а также ж ..

приемами по ликвидации пор воздухововле- "ж ? ' »*-чения и сегментных пор. Уменьшение размера пор отразится на снижении числа Бонда ~ " -*<»*•-- * и повысит значимость капиллярных сил в Рисунок 7. Трещины в формировании пористой структуры газобетона.

Я, м

0,511

™ 5

/ / / 4 3

у 2

1

ячеистом бетоне от сегментных пор

Процесс формирования пористой структуры газобетонной смеси разделен на пять стадий роста газовых пор (рисунок 8): 1 - образование пузырьковой системы; 2 — ускоренный рост газовых пор; 3 - снижение скорости роста пор; 4 - коалес-центный рост пор; 5 - образование крупных парогазовых пор.

ь ь 14 I, сек

Рисунок 8. Стадии роста газовых пор

При поэлементном анализе процесса роста газовых пор в ячеистобетонной смеси уравнение Рэлея-Плессета предлагается использовать в следующем виде:

Рг

2а 4т]Я

я я

где Рг и Рп - давление в газовой фазе соответственно водорода и водяного пара; Рл - атмосферное давление; Рпзб - избыточное давление над смесью.

Образование газовой поры с размером больше критического на частицах алюминия (рисунок 9) в газобетонной смеси происходит за счет взаимодействия алюминия с компонентами жидкой фазы.

Из слагаемых правой части уравнения (6) при Рю5 = 0 только капиллярная составляющая из-за малого размера газовых пор оказывает Рисунок 9. Агрегаты существенное влияние на образование алюминиевой пасты пористой системы.

Газовые поры появляются и группируются у источника газовыделения. Перемещение пор связано со сдвигом смеси при заполнении пространства и с приведением пор в движение

за счет присоединенной массы дисперсионной среды. Диаметр пор имеет величину от 10 до 50 мкм.

Предложена модельная ячейка газобетонной смеси с растущей газовой порой, в которой на одну частицу алюминия со средним размером 40 мкм приходится две частицы твердой фазы с диаметром 50 мкм (рисунок 10).

10 мкм

Рисунок 10. Ячейка газобетонной смеси с растущей газовой порой: 1 - жидкая фаза; 2 - частица твердой фазы; 3 - газовая пора; 4 - частица алюминия;

I, II, III - стадии и направления роста поры

В ячеистобетонной смеси коалесценция рассмотрена как фактор формирования пористой структуры.

Объединение двух газовых пор с близкими по размеру радиусами R] и R2 и образование поры с радиусом R3 является самопроизвольным процессом, протекающим с понижением энергии системы.

В газобетонной смеси при отсутствии между порами твердых частиц нет препятствия их объединению.

Сближение двух пор до критического размера разделяющей мембраны связано с преодолением сил инерции при перемещении сплошной среды и сил вязкости среды.

Факторами, которые способствуют сближению, являются рост одной из пор за счет выделения водорода в газобетонной смеси (Рг) или создание отрицательного

избыточного давления (- Рю6) за счет вакуумирования смеси.

Предложена схема модельной ячейки при разрыве мембраны между двумя соизмеримыми порами (рисунок 11).

Рисунок 11. Ячейка газобетонной смеси при объединении двух равновеликих горизонтально расположенных пор: 1 - жидкая фаза; 2 — газовая пора; 3 - контур объединенной поры; 4 - отверстие в мембране; 5 - валик; б — контур волны

Характер разрушения мембраны в нижней и верхней частях будут различаться, что связано с гидростатической составляющей 2И. Коалесценция равновеликих газовых пор в газобетонной смеси энергетически предпочтительный процесс, сопровождаемый перемещением среды и дискретным волновым процессом в среде.

Объединение маленькой газовой поры радиусом и крупной поры радиусом Я2 с образованием поры радиусом Я3 также самопроизвольный процесс, протекающий с уменьшением энергии системы. Предложена схема модельной ячейки при « и Я2~ /?з с разрывом мембраны между маленькой и крупной порами (рисунок 12).

и крупной пор: / - маленькая пора; 2 - крупная пора; а - положение поры до коалесценции; б, в, г- последовательные стадии коалесценции

Последовательные стадии процесса коалесценции аналогичны стадиям выхода поры на поверхность. Факторами, сближающими поры до критического размера разделяющей их мембраны, являются рост или перемещение одной или двух пор. В пленке критического размера образуется разрыв сплошности - отверстие. Пленка с прилегающей жидкой фазой заполняет углубление, бывшее ранее маленькой порой, устремляясь к центру этого углубления. Вокруг разрушающейся поры возникает кольцевая волна.

Развитые представления о процессе роста газовых пор позволяют считать процесс формирования пористой структуры газобетонной смеси коалесцентно-агрегативным.

Увеличение объемной доли газовой пористости в смеси ячеистого бетона свыше 45 %, соответствующее средней плотности смеси менее 1000 кг/м3, приводит к деформированию газовых сферических пор. Условия, при которых начинается деформация сферических газовых пор, оценены как стесненные. В стесненных условиях количество водотвердой фазы недостаточно для заполнения пространства между шаровыми порами, а толщина мембран не уменьшается за счет препятствия со стороны частиц твердой фазы.

Предложена модельная ячейка в смеси газобетона, включающая две поры с радиусом Я0 и расположенными между ними частицами твердой фазы, как препятствие для процесса коалесценции (рисунок 13).

Рисунок 13. Ячейка газобетонной смеси при деформировании шаровой газовой поры в эллипсоидальную: 1 - шаровая пора; 2 - частицы твердой фазы;

3 - эллипсоидальная пора При деформировании шаровой газовой полости в эллипсоидальную за счет изменения кривизны поверхности появляется тангенциальная составляющая давления (рисунок 14), предопределяющая перемещение твердой частицы из мембраны в направлении большей кривизны канала Плато.

Р; Развиты представления о

типах ячеистых структур в зависимости от средней плотности и установлены границы для ячеистых бетонов марок по средней плотности до £>300 с полиэдрическими газовыми порами, от £>300 до £>700 с шарово-полиэдрическими газовыми порами и свыше Л700 с шаровыми газовыми порами (рисунок 15). Смесь ячеистого бетона с низким газосодержанием и соответственно при высокой средней плотности смеси Рисунок 14. Силы при изменении следует рассматривать с

кривизны в эллипсоиде шаровой структурой.

Увеличение газосодержания в смеси и деформация сферических газовых пор свидетельствуют о формировании ячеистой шарово-полиэдрической структуры. Когда радиус кривизны газовых пор превышает длину канала и стремится к длине полиэдра, формируется полиэдрическая структура пор в ячеистобетонной смеси.

Полиэдрические Шарово-полиэдрические Шаровые

газовые поры газовые поры газовые поры

Рисунок 15. Типы ячеистых структур в зависимости от средней плотности

Во взаимосвязи с пористой структурой находится гранулометрия твердой фазы вяжущего. Промышленно выпускаемые цементы в целом не соответствуют по своим показателям требованиям, предъявляемым к ячеистому бетону современного уровня.

Предложены подходы для получения неавтоклавного газобетона с высокими строительно-техническими свойствами, включающие разработку специальных композиционных вяжущих с модификаторами структуры ячеистого бетона и разработку технологических приемов оптимизации высокопористой структуры ячеистого бетона при изготовлении изделий, монолитного газобетона и сухих смесей.

Композиционные вяжущие (КВ) получали на основе клинкера или цемента, кремнеземсодержащих компонентов с учетом их генезиса и суперпластификаторов (СП).

Повышенная эффективность вяжущих в ячеистом бетоне достигалась за счет совместного помола компонентов, обеспечивающего совершенствование морфологии и характера поверхности частиц. Особое внимание уделялось гранулометрии частиц композиционного вяжущего, как фактору соответствия структуре тонких межпоровых перегородок ячеистого бетона современного уровня и одновременно, фактору, определяющему прочность композита.

Установлен характер распределения частиц композиционных вяжущих по размерам, полученных при измельчении в шаровой и вибрационной мельницах, а также в центробежном помольно-смесительном агрегате (рисунок 16). Частицы вяжущего, полученного помолом, имеют полимодальное распределение.

Рисунок 16. Распределение частиц по размерам композиционных вяжущих, полученных в различных помольных агрегатах

Особенность гранулометрии вяжущего, полученного в центробежном помольно-смесительном агрегате (ЦПСА), состоит в смещении максимума из области крупных в область средних размеров и повышении количества мелких частиц с выраженным максимумом в интервале 0,66.. .2,7 мкм.

Вяжущие, полученные измельчением в шаровой и вибрационной мельницах, представлены неправильной обломочной формой частиц с размером от 6 мкм до 500 нм. Наличие крупных фракций с неплотной пространственной их укладкой свидетельствует о менее эффективном измельчении, чем в ЦПСА, при помоле в котором композиционное вяжущее представлено плотноупакованными обломочными частицами, плотно прилегающими друг к другу, с размерами от 3 мкм до 500 нм (рисунок 17).

Рисунок 17. Размер и морфология частиц композиционного вяжущего (5уд = 550 м2/кг), полученного в помольных агрегатах

Равномерное полидисперсное распределение частиц композиционного вяжущего обеспечивает формирование оптимальной микроструктуры цементного камня межпоровых перегородок за счет самоорганизации и плотной упаковки частиц и способствует ускорению процессов структурообразования и увеличению активности

вяжущего на 20...30 % по сравнению с вяжущим, полученным в вибрационной и шаровой мельницах, и повышению прочности на ранней стадии твердения газобетона.

Помольные агрегаты по эффективности их использования при получении композиционных вяжущих ранжированы в следующей последовательности: вибрационная мельница —> шаровая мельница —> центробежный помольно-смесительный агрегат.

Кинетика помола композиционных вяжущих аппроксимирована уравнением теории переноса по величине удельной поверхности (рисунок 18). Лучшую размолоспособность имеют вяжущие на клинкерной основе (высокоалитовые и среднеалюминатные клинкера). Минеральные добавки, в частности отсевы дробления кварцитопесчаника, с присущей им энергией кристаллической решетки минералов, накопленной в результате геологических и техногенных воздействий, позволяют получить композиционные вяжущие с рациональной удельной поверхностью 500...550 м2/кг при начальной скорости помола II() = 9,13 м2/(кг-мин) и коэффициенте торможения кI = 0,0007 кг/м", что обеспечивает снижение энергоемкости их помола.

•I 700 "г

= 600 и о

| 500

О» 03

в 400

93

О

| 300

<3 3

200

и о

я 100 с

о

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Время помола, мин

Рисунок 18. Прирост удельной поверхности композиционных вяжущих от времени помола

Топологическая оценка гранулометрии композиционных вяжущих показала наличие ниспадающих максимумов содержания фракций класса т = 5 (рисунок 19).

Расчетное количество каждой фракции в смеси КВ и экспериментальные данные по гранулометрии вяжущих в составах КВ1 и КВ2 позволили отнести их к высокоплотным по плотности упаковки частиц. Аналогичный характер имеет состав полидисперсной смеси КВЗ с с1г!с1\ = 0,202 и г\х = 0,666.

" — — —

В Я 81 ? Размер частиц, мкм Рисунок 19. Распределение частиц вяжущих по размерам:

--портландцемент;--КВ с кварцитопесчаником (КВ1);--КВ с

кварцитопесчаником и мелом (КВ2);--КВ с перлитом (КВЗ);

--расчетная кривая для КВ 1 и КВ2; —--расчетная кривая для КВЗ

* - расчетный; ** - усредненный

Наличие широкой полочки крупных размеров (ас) (рисунок 19), больших и меньших, чем с1\ = 16,3...20 мкм приводит к завышенному результату которое для монодисперсных сферических частиц составляет г/] < 0,65. Экспериментальная кривая распределения частиц КВЗ в смеси имеет широкую область размеров крупных фракций, что потребует повышенного расхода мелких фракций. Это отображается двумя максимумами и крутым спуском участка с размером частиц более с1\. Смесь отнесена к высокоплотной полидисперсной с основным классом т = 5, при этом плотность упаковки частиц быстро возрастает цх = 0,64-0,67, ц„х = 0,728, г]„2 = 0,8115 и г]пЪ = 0,883.

100

2.788

А 7669% 71 % 100 %

12.763 2 788 2 788 2.788 2 788

Н 1Л Йп

Рисунок 20. Интенсивность отражений алита (2,7бА) и белита (2,78А) в

зависимости от вида кремнеземсодержащей добавки в вяжущем: -ЦЕМ142.5 Н;--КВ с трепелом;--КВ с опокой;--КВ с перлитом

аЬ~ Ье - компенсирование размеров и содержание до с1\ = 16,3.. .20 мкм. ¿/ср= 18 мкм, <р\ = 6,5

Композиционные вяжущие имеют оптимальные реологические характеристики, позволяющие совместить во времени период интенсивного структурообразования с периодом газовыделения при вспучивании газобетонной смеси.

Микронаполнители в составе композиционного вяжущего активно участвуют в процессах гидратации. При твердении в сравнении с цементом аморфная составляющая вяжущего приводит к повышенной степени гидратации клинкерных минералов (рисунок 20).

Полученные вяжущие имеют высокие прочностные показатели, о чем свидетельствуют результаты физико-механических испытаний (таблица 1). Композиционные вяжущие на клинкерной основе с содержанием до 30 % отсева дробления известняка имеют прочность на сжатие в 28-суточном возрасте — 90,5 МПа, перлита -91,1 МПа, кварцитопесчаника и мела - 87,7 МПа, обеспечивая условия создания эффективных высокопоризованных композитов.

Таблица 1

Физико-механические свойства композиционных вяжущих

Вяжущие (ингредиенты) нг, % Сроки схватывания, мин Прочность, МПа, в возрасте, сут

при изгибе на сжатие

начало конец 3 7 28 3 7 28

ЦЕМ I 42,5 Н 26,4 120 220 6,3 7,5 8,6 38,4 41,1 49,2

ЦЕМ I 42,5 Н + карбонатный наполнитель + МеШих 1641 р 23,4 105 165 6,6 8,6 9,8 48,7 62,4 70,5

ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт СП-1 + перлит 27,4 45 145 7,34 9,69 12,45 50,7 66,9 87,1

ЦЕМ 142,5 Н + Полипласт П-1 + +отсевы дробления КВП 23,8 90 185 6,9 8,1 9,63 44,3 55,4 69,3

ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт П-1 + отсевы дробления КВП + + мел 23,3 80 170 7,2 9,4 11,03 47,8 61,3 75,5

Клинкер + гипс 25,7 95 140 7,2 9,5 10,1 53,1 65,7 73,5

Клинкер + гипс + + карбонатный наполнитель + + МеШих 1641 Р 27,0 100 185 8,7 11,4 12,6 60,5 80,8 90,5

Клинкер + Полипласт СП-1 + + перлит + гипс 28,9 40 150 7,26 9,33 12,65 52,3 67,2 91,1

Клинкер + гипс + Полипласт П-1 + отсевы дробления КВП 20,3 65 155 8,2 9,6 11,55 53,2 64,8 82,4

Клинкер + гипс + Полипласт П-1 + отсевы дробления КВП + + мел 20,0 50 150 8,5 10,6 12,26 62,4 74,0 87,7

Микроструктура матриц затвердевших композиционных вяжущих (рисунок 21) монолитная, плотная мелкозернистая фаза, в

ней практически отсутствуют поры и пустоты. Основной элемент микроструктуры - кристаллогидрат игольчатой формы. Структура имеет высокую однородность и четкое распределение гидросиликатов по всей матрице композита.

1 сут 28 сут

Рисунок 21. Микрофотографии затвердевшего КВ с кремнеземсодержащей добавкой

Мелкие частицы композиционного вяжущего в смеси ячеистого бетона должны преимущественно располагаться в межпоровых перегородках на заряженной поверхности межфазного слоя газовых пор, формируя на них 1...3 слоя. При радиусе пор 1 мм размер частиц при однослойном распределении составляет г < 18 мкм, а при двухслойном должен иметь радиус менее 7,8 мкм с расчетным расстоянием между порами к = 4г.

Композиционные вяжущие с содержанием клинкерной составляющей до 70 % и с прочностью на сжатие не менее 80 МПа получены за счет использования энергетического потенциала микронаполнителей различного генезиса при полимодальном распределении частиц вяжущего с регулируемыми реологическими свойствами, сочетаемыми с процессом формирования пористой структуры ячеистого бетона.

Процесс газовой поризации смесей на КВ взаимосвязан с вопросами распределения пор по размерам в смесях ячеистого бетона.

Распределение полидисперсной пористости ячеистого бетона по плотности упаковки невзаимодействующих пор в водоцементной системе определяется рекуррентным уравнением топологических переходов. При этом внедрение меньшей фракции пор в пространство между порами предыдущей более крупной фракции аналогично по характеру зависимостям, которые наблюдаются при формировании гранулометрического состава продуктов измельчения.

От гранулометрического состава также зависит газообразующая способность газообразователя. Алюминиевая пудра имеет одномодальное распределение частиц с одним ярко выраженным пиком в области 16 мкм, в то время как алюминиевая паста характеризуется полидисперсным составом частиц. Лучшая кинетика

Рисунок 22. Средняя плотность и прочность на сжатие газобетона на композиционном вяжущем: 1 - В/Т = 0.5, вид наполнителя - опока; 2 - В/Т = 0.6, вид наполнителя - перлит; 3 - В/Т = 0,7, вид наполнителя - трепел

газовыделения, оптимальный гранулометрический состав, гомогенность алюминиевой суспензии на основе пасты и минимальные затраты времени на приготовление повышают стабильность процессов формования, улучшают качество поровой структуры газобетона и позволяют прогнозировать параметры газобетонной смеси.

Композиционные вяжущие в стабильных заводских условиях технологии производства способствуют изготовлению неавтоклавных газобетонных изделий, соответствующих по свойствам изделиям из автоклавного газобетона.

Технологические параметры производства неавтоклавных газобетонных изделий на композиционных вяжущих и физико-механические свойства газобетонов получены с использованием математического аппарата. Варьировали основные факторы: В/Т (X/J в пределах от 0,5 до 0,7 с интервалом варьирования 0,1, количество извести (Х2) от 2 до 6 % с интервалом варьирования 2 % и алюминиевой пасты (Х3) в диапазоне от 0,5 до 0,7 % от массы вяжущего с интервалом варьирования 0,1.

Получены экспериментально-статистические модели влияния управляющих рецептурно-технологических факторов на свойства газобетонных изделий:

рср =293 - 148,3-JG - 161,6Х2 -195,2-Х, + 39,2-Х, + 45.9-Х,2 + + 105,9-Х/ + 81,5-Х/+ 95,9-Х/ + 18.9Х;Х, + 35А-Х,-Х3 -35,1-ХГХ,+ + 96Я-Х2-Хз+ 13,5-ХГХ, + 14,5 Х3-Х4,

Дсж = 1,45- 1,2-х " 1-Х2- 1,16-х + 0,26X/ + 0,2Х/+0.58-х/ + 0.4-Х/+ + 0.13 -X/+0,13 -X, Х2 + 0,28-Х, -Х3 - 0,21 -X, -Х4 + 0.59Х2 -Х3 + 0,11 • Х2 -Х4 + 0,03 • Х3 -Х4.

Адекватность моделей позволяет определять параметры изготовления изделий с марками по средней плотности от D200 до D900 (рисунок 22).

Неавтоклавные газобетонные изделия на композиционных вяжущих имеют высокие физико-механические свойства: марка по средней плотности £>250... £>500, класс по прочности 50,5... 2,5 МПа, теплопроводность Л = 0,067... 0,09 Вт/м-°С, морозостойкость Р15...Р50. Такие показатели превосходят характеристики традиционных газобетонов за счет улучшенной поровой структуры (рисунок 23) с равномерным распределением пор при среднем диаметре 0,21 мм (рисунок 24).

Рисунок 23. Пористая структура газобетонных изделий на композиционных вяжущих

Разработаны

Газобетон на композиционном вяжущем общая пористость — 76 %;

средний диаметр пор (1

-М ! I II ! I н I I \

ср

0,21 мм

Газобетон на цементе общая пористость— 61,2%; средний диаметр пор (1п ср ~ 0,94 мм

гические приемы, щие управлять формирования структуры и

техноло-позволяю-процессом пористой значительно

(в 1,5...2) снизить среднюю плотность ячеистых бетонов.

Газобетоны традиционно получают с использованием газообразователя, причем повышенного его количества. 0,2 0|4 0.6 0.8 1 1,2 1,4 1,6 1.8 2 23. 2,4 2,6 ¿8 3 <1. им ОДНаКО ПОрИСТуЮ СТруКТуру Рисунок 24. Распределение пор по можно получить не только за размерам в газобетонных изделиях счет ВЬ1деления газа, но и как

следует из уточненного уравнения Рэлея-Плессета (6), за счет фактора внешнего давления.

Установлена взаимосвязь между давлением газовой фазы формовочной массы, ее реологическими и гравитационными свойствами, диаметром пор, давлением внешней среды и поверхностным натяжением раствора при различных внешних воздействиях на формовочную смесь.

Рост микрообъемов газа - процесс, зависящий, прежде всего от увеличения давления в поре газа, которое будет тем больше, чем меньше его объем, выше температура и значительнее количество газа в поре. Возникшие микрообъемы газа оказывают давление на формовочную массу. Газ должен преодолеть, в частности, давление среды над смесью и ее вязкое сопротивление, иначе вспучивание не происходит.

Одним из способов вспучивания вязких композиций является снижение давления (Ртб) воздуха над смесью или вспучивание смеси в вакууме. Уменьшение давления над смесью обеспечивает расширение газовой поры с компенсацией сил тяжести и инерции, Лапласа и вязкости в соответствии с уточненным уравнением Рэлея-Плессета (6). Это реализовано в разработанной вакуумной технологии формирования пористой структуры ячеистого бетона.

Определяющая роль давления над поризуемой смесью при формировании ячеистой структуры газобетона достигается за счет его снижения до уровня вакуума, соответствующего 0,06...0,095 МПа.

При вспучивании вязких смесей с низким водовяжущим отношением наряду с вакуумом возможны динамические воздействия на смесь, снижающие значимость сил вязкости.

Совместное воздействие вакуума и вибрации реализовано в разработанной вибровакуумной технологии формирования пористой структуры ячеистого бетона.

При вспучивании газобетонных смесей имеет место принцип оптимального водовяжущего (В/В) отношения (рисунок 25).

Рисунок 25. Пористость газобетонной массы в зависимости от водовяжущего отношения

Наибольшая пористость массы в каждом конкретном случае достигается при таком значении В/В, которое обеспечивает ей необходимые для вспучивания реологические характеристики. Применение при прочих равных условиях формовочных смесей с низким В/В приводит к повышению прочности ячеистого бетона не менее 25 %, а в ряде случаев увеличению прочности до двух раз.

С величиной вакуума над смесью взаимосвязано оптимальное водовяжущее отношение (рисунок 26). С увеличением величины вакуума В/В уменьшается при

прочих равных условиях, величины вакуума от водовяжущего отношения

Дополнительное воздействие вакуума позволяет существенно снизить среднюю плотность ячеистобетонных смесей предварительно вспученных традиционными способами поризации.

В зависимости от интенсивности внешнего воздействия вакуума среднюю плотность газовоздухосодержащих масс можно снизить до 2 раз, например, с 800 до 400 кг/м3 ( —рисунок 27).

1200

1000

* 800

¡2

0

S 600

к

Я

1 400

а.

U

200 0

0 0.01 0.02 0.03 0,04 0,05 0.06 0.07 0,08 0,09

Величина вакуума, МПа

Рисунок 27. Средняя плотность газовоздухосодержащих масс при дополнительном воздействии вакуума

Показано, что используя фактор избыточного давления как основу создания пористой структуры, можно сократить количество газообразователя в газобетонных смесях, а также осуществить формирование пористой структуры композиций за счет воздуха, вовлеченного в смесь минеральным наполнителем.

Уточнен расчет количества газообразователя, необходимого для получения газобетонной смеси с заданной пористостью, в котором учтены реологические и гравитационные свойства формовочной массы, высота вспучиваемого массива и характер воздействующего на смесь вакуума.

ОД 0.25 0.3 0.35 0.4 В/В

Рисунок 26. Зависимость оптимальной

0,3 0J O.I 0

0,2 0,4 0,6 0,8 I 1 j 1,4 1,6 1,8 1 M 2,4 216 2,8 3 d, MM

Рисунок 28. Распределение пор различного происхождения по размерам

на композиционном вяжущем характеризуется предельно низкими значениями среднего диаметра пор (рисунок 28) и улучшенной микроструктурой порового пространства (рисунок 29). Это обеспечивает высокие физико-механические характеристики неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем: р = 200...700 кг/м3,

1^,= 0,4...5 МПа, Х= 0,056...0,12 Вт/м-°С, Р15...50.

Вибровакуумированный неавтоклавный ячеистый бетон

Рисунок 29. Микроструктура вибровакуумированных газобетонных изделий на композиционных вяжущих

Композиционные вяжущие позволяют изготавливать монолитный газобетон в неблагоприятных построечных условиях в

качестве теплоизоляционного материала.

Монолитные газобетонные смеси имеют оптимальные реологические характеристики для формирования пористой структуры газобетона за счет сравнительно быстрого возрастания вязкости смеси и предельного напряжения сдвига (рисунок 30).

45 60 75 90 105 ¡ 120 135 150 Градиент скорое i n сдвига, с

Рисунок 30. Реология газобетонных смесей на композиционном вяжущем

Создаваемый при перекачивании газобетонных смесей к месту заливки перепад давления соответствует участку течения практически неразрушенной структуры, на котором вязкость постоянна.

Введение в газобетонную смесь добавок щелочных оксидов ("ЫаОН, КОН) дает возможность регулировать реологические характеристики, позволяет стабилизировать процесс газообразования и нивелировать колебания температурного режима в построечных условиях. В смеси с добавками полнее и интенсивнее протекает реакция между алюминиевой пастой и щелочью.

Когда гравитационная сила структурного каркаса газобетонной смеси больше выталкивающей силы, то поверхность каркаса покрывается водным слоем, если гравитационная сила меньше выталкивающей силы, то структурный каркас всплывает и располагается над поверхностью избыточного содержания воды. Решение задачи о водоотделении избыточного содержания воды от структурного каркаса твердых фаз ячеистобетонных смесей при выдержке необходимо для оптимизации состава и структуры монолитного газобетона.

Оптимальные составы газобетонов на композиционных вяжущих для монолитного строительства определены при варьировании основных технологических факторов: В/Т (.X)) в пределах от 0,45 до 0,65, количество алюминиевой пасты (Х2) в диапазоне от 0,4 до 0,8 % от массы композиционного вяжущего и микронаполнителя - мела (Х3) от 0 до 20 %.

Математические модели зависимостей средней плотности и прочности на сжатие монолитного газобетона имеют вид:

/>ср = 252,46- -Ъ\-Х2-22,3-Х, + 171,02-X,2 + 136,02-X/ +

+ 49,52- Х32 + 100-Х/Х2 + 25Х]Х3 +7,5 ХГХ3; Ясж = 1,43 - 0,85-Х/ - 0,395-Х2 - 0,256-Хз + 0,49- Х,2+ 0,26- Х22 + + 0,066-Х,2 + 0,31 -X, Х2 + 0,18-Х/ Х3 + 0,063ХгХз.

Рисунок 31. Номограммы зависимостей средней плотности и прочности на сжатие монолитного газобетона: 1 - В/Т = 0,45; 2 - В/Т = 0,55; 3 - В/Т = 0,65

Полученные номограммы (рисунок 31) позволяют поддерживать на заданном уровне выходные параметры, изменяя соответствующим образом основные технологические факторы.

Газобетон на композиционных вяжущих для монолитного строительства характеризуется равномерно распределенной пористой структурой со средним диаметром пор 0,25 мм (рисунок 32).

3 0,6 -г-

Рисунок 32. Характер распределения пор по размерам монолитных газобетонов в зависимости от вида вяжущего

Монолитный газобетон со средней плотностью 270. ..300 кг/м3 имеет высокие строительно-технические свойства: прочность на сжатие 1,5... 1,7 МПа, теплопроводность X = 0,06...0,07 Вт/м-°С, морозостойкость И15...35.

Выявлена причинно-следственная связь между нагревом электродами газобетонной смеси в условиях низких положительных до 0°С и отрицательных до -10°С температур электродами и формированием однородной пористой структуры, что позволяет изготавливать газобетонные изделия в неблагоприятных построечных условиях. В настоящее время работы с монолитным ячеистым бетоном при температуре ниже 5°С не проводятся. Согласованный с процессом схватывания равномерный нагрев массы по всему объему обеспечивает возможность проведения работ с монолитным газобетоном и способствует получению однородной структуры материала.

Монолитный газобетон, структура которого сформирована при электроразогреве при средней плотности 260...400 кг/м' имеет прочность на сжатие 0,8...3,2 МПа.

Монолитная газобетонная смесь может быть изготовлена из исходных ингредиентов в построечных условиях, но рациональным приемом является использование в построечных условиях сухой газобетонной смеси.

Сухие газобетонные строительные смеси получены на основе композиционного вяжущего и комплексного порообразователя.

Комплексный порообразователь для сухой смеси содержит алюминиевую пасту и поверхностно-активные вещества (ПАВ) и совместно с карбонатным наполнителем способствует стадийному формированию полидисперсного порового пространства при затворении смеси водой. При этом ПАВ формируют первоначальную пористую структуру, а алюминиевый газообразователь обеспечивает формирование пористой структуры газобетонного массива предварительно поризованной в смесителе массы.

За счет композиционного вяжущего, имеющего ускоренные процессы гидратации, фиксируется полидисперсная ячеистая структура газобетона.

Постадийное формирование пористой структуры за счет применения в сухой смеси композиционного вяжущего и комплексного порообразователя позволило получить ячеистый бетон с плотно сцементированной матрицей при толщине межпоровых перегородок от 7 до 37 мкм с общей пористостью 76 % и средним диаметром пор 0,186 мм (рисунок 33).

3 о.й

= 0.7 0.6

0.5 0.-1 0.3 0.2 0.1

о >' | 'Гг Г Г'1 ' П I I I гн п

0.2 0,10.6 0.3 1 1.2 1.1 1.6 1.8 2 2.2 2.12.6 2.3 3 а. мы

Рисунок 33. Структура и характер распределения пор по размерам ячеистого бетона на основе сухих строительных смесей в зависимости от вида вяжущего

Неавтоклавный ячеистый бетон, полученный из сухой строительной смеси, характеризуется высокими физико-механическими свойствами: марка по средней плотности £>400, класс по прочности В1,5, коэффициент теплопроводности X = 0,08 Вт/(м °С), марка по морозостойкости £50. В структуре ячеистого бетона имеет место значительное количество капиллярно-газовых и мембранных газовых пор при отсутствии дефектных пор воздухововлечения.

Обобщенный анализ характера поровой структуры газобетонов неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих в сравнении с газобетоном на основе портландцемента (рисунок 34) свидетельствует о следующем. Газобетон на композиционном вяжущем с маркой по средней плотности £>200... £>500 характеризуется равномерным распределением полидисперсных и малых по размеру, замкнутых, деформированных в правильные многогранники пор с глянцевой плотной внутренней поверхностью. Поры разделены тонкими межпоровыми перегородками, при этом средняя толщина межпоровых перегородок составила 24 мкм при диапазоне варьирования от 7... 10 до 40...50 мкм.

Рисунок 34. Пористая структура газобетона: а, б- на портландцементе; в, г — на композиционном вяжущем

Структура газобетона неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих — высокоорганизованная, более совершенная с четким прослеживанием закономерного роста кристаллов новообразований на границе раздела фаз (рисунок 35).

Рисунок 35. Межпоровая перегородка газобетона на композиционном вяжущем

Создание микрооднородной межпоровой перегородки газобетона с равномерным распределением высокодисперсных продуктов гидратации композиционного вяжущего обеспечено гранулометрией вяжущего, а также морфологией и генезисом тонкодисперсных минеральных добавок.

Количественная оценка пористой структуры газобетона свидетельствует о предпочтительной пористости газобетона на композиционном вяжущем (таблица 2).

Таблица 2

Характеристика пор газобетона в зависимости ог вида вяжущего

Газобетон Характеристика пористости

общая пористость, % средний диаметр пор, мм размах варьирования, мм среднеквадратичное отклонение

на цементе 61,2 0,94 2,8 0,257

на композиционном вяжущем 83 0,18 0,8 0,1

Качественный и количественный анализ структуры газобетона на композиционном вяжущем показал высокое качество структуры, увеличение общего объема пористости преимущественно за счет

капиллярно-газовых и мембранных пор при отсутствии пор воздухововлечения и сегментных, в сравнении с газобетоном на портландцементе.

Это свидетельствует о значимости капиллярных сил при формировании поровой структуры газобетона композиционных вяжущих.

Высококачественный газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих превышает показатели ГОСТ 25485-89 (рисунок 36) и сопоставим со свойствами автоклавного ячеистого бетона при следующих строительно-технических свойствах: средняя плотность 160...500 кг/м3, прочность на сжатие 0,3...3,2 МПа, |- неавтоклавный ячеистый бетон ГОСТ 25485-89; вОДОПОГЛОЩвНИе 17,4... 18 %, |- разработанный ячеистый бетон СОрбцИОННаЯ ВЛЭЖНОСТЬ При

200 300 400 500 600 700 800 900 р>

Рисунок 36. Область разработанных газобетонов и нормативные показатели: I 1- автоклавный ячеистый бетон ГОСТ 25485-89;

относительной влажности воздуха 75 (97) % - 3,1(5,0) %, усадка 0,3...0,4 мм/м, коэффициент паропроницаемости 0,3...0,33 мг/мч-Па, коэффициент теплопроводности 0,056...0,11 Вт/(м°С), морозостойкость /П5...50.

С его применением возможно изготовление изделий, сухих строительных смесей и монолитного газобетона.

Разработаны нормативные документы и технологические схемы по производству композиционных вяжущих и неавтоклавных газобетонов на их основе.

Промышленная реализация результатов исследований осуществлялась в ООО «ЭЦ «Экостройматериалы», ООО «Проминдустрия» при изготовлении блоков, в ООО «Стройколор ЖБК-1», ООО «ПОРОБЕТОН», ООО «Строительная компания ЖБК-1» при обустройстве оснований под полы при строительстве Художественной галереи и в качестве теплоизоляции в колодцевой кладке в индивидуальном жилищном домостроении, при монолитном возведении стен жилых домов по ул. Белгородской и Почтовой (рисунок 37).

Рисунок 37. Промышленное внедрение результатов исследований: а - газобетонные блоки; б - монолитный газобетон; в - сухая газобетонная смесь

Энергосберегающие мероприятия по утеплению наружных стен с применением неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем малозатратны и быстро окупаемы, инвестиционно привлекательны для малого и среднего бизнеса.

Технико-экономическая оценка потенциальной эффективности неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем показала его высокий результирующий потенциал.

ВЫВОДЫ

1. Выявлены закономерности процессов формирования структуры и разработаны принципы повышения эффективности неавтоклавных газобетонов за счет применения композиционных вяжущих, управления процессами в трехфазной дисперсной пористой

системе и совершенствования технологических приемов изготовления ячеистобетонных изделий, заключающиеся в формировании состава и гранулометрии вяжущих, которые соответствуют структуре тонких межпоровых перегородок, управлении свойствами смесей для сочетания процессов газообразования и структурообразования с учетом баланса сил в дисперсной системе.

2. Установлен характер влияния состава и гранулометрии компонентов композиционных вяжущих с наполнителями различного генезиса и модификаторов вяжущего на свойства ячеистобетонных смесей и характеристики неавтоклавного газобетона. Композиционные вяжущие с полимодальным распределением частиц обеспечивают формирование оптимальной микроструктуры межпоровых перегородок за счет самоорганизации и плотной упаковки частиц, ускоряют структурообразование и повышают прочность на ранней стадии твердения газобетона.

3. Выявлена роль компонентов композиционных вяжущих на формирование свойств пористой структуры газобетонных смесей при изготовлении изделий, монолитного газобетона и сухих смесей. Предложено пять стадий роста пор и деление пор по размерам. В современных ячеистых бетонах со средней плотностью менее £>500 значимыми являются капиллярные явления за счет переменной кривизны поверхности в образующихся газовых порах.

4. Выявлены особенности управления процессами образования ячеистой структуры газобетона, основанные на балансе сил в трехфазной дисперсной системе на моделях «газовая пора — формовочная смесь» и предложена коалесцентно-агрегативная схема формирования пористости газобетонной смеси. Показано, что определяющим фактором при формировании ячеистой структуры газобетона является давление над поризуемой смесью, причем эффект достигается за счет его снижения до уровня вакуума, соответствующего 0,06...0,095 МПа. Учет фактора внешнего давления позволяет поризовать высоковязкие . композиции с введением газообразователя, а также формировать пористую структуру композиций воздухом, вовлеченным и адсорбированным минеральным наполнителем композиционного вяжущего.

5. Развиты представления о динамике процесса формирования ячеистой структуры газобетонов неавтоклавного твердения, что позволило за счет использования разработанных композиционных вяжущих и технологических приемов производства улучшить свойства неавтоклавных газобетонов. Получены теплоизоляционный газобетон неавтоклавного твердения £>300, 51, X = 0,07 Вт/(м °С), /35;

конструкционно-теплоизоляционные газобетоны 0400, 61,5, к = 0,08 Вт/(м-°С), ^50; £>500, 52,5, X = 0,10 Вт/(м°С), ^50, которые превышают по характеристикам свойства традиционных ячеистых бетонов неавтоклавного твердения.

6. Реализован энергетический потенциал композиционных вяжущих с содержанием клинкерной составляющей до 70 % прочностью на сжатие не менее 80 МПа, заключающийся в использовании модификатора вяжущего и наполнителей различного генезиса при полимодальном распределении частиц композиционных вяжущих и управлении пористой структурой смесей на их основе.

7. На основе выявленных закономерностей формирования пористой структуры установлена повышенная эффективность газобетона неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих, обеспечивающая изготовление изделий, монолитного газобетона и сухих строительных смесей с улучшенными свойствами.

8. Установлена взаимосвязь между давлением газовой фазы в формовочной массе с ее реологическими и гравитационными свойствами, диаметром пор, давлением внешней среды и поверхностным натяжением раствора, уточнено уравнение Рэлея-Плессета. Рецептурные и технологические параметры изготовления неавтоклавного газобетона на композиционных вяжущих представлены в виде математических моделей.

9. Разработаны нормативные и технические документы на широкую номенклатуру продукции: композиционные вяжущие для неавтоклавных газобетонов, сухие строительные газобетонные смеси и технологические регламенты на производство блоков стеновых мелких, сухих смесей и монолитного газобетона. Газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих в виде изделий применен при строительстве индивидуальных жилых домов, монолитный газобетон и сухие строительные смеси использованы в обустройстве теплозвукоизоляционных оснований под полы и в качестве теплоизоляции в колодцевой кладке стен.

10. Совокупность представленных результатов позволила получить инвестиционно привлекательный газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих с высокими строительно-техническими свойствами, которые превышают свойства лучших образцов традиционных ячеистых бетонов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Ерохина, Л.А. Условия вспучивания формовочных смесей [Текст] / Д.И. Гладков, Л.А. Ерохина // Безотходная технология композиционных материалов в производстве строительных изделий и

конструкций: сб. науч. тр. - М.: Изд-во МИСИ, БТИСМ, 1987. -С. 102-106.

2. Ерохина, Л.А. Новая технология неавтоклавных ячеистых бетонов [Текст] / Л.А. Ерохина [и др.] // Строительные материалы и конструкции. - 1989. - № 4. - С. 34.

3. Ерохина, Л.А. Неавтоклавный ячеистый бетон для сельского строительства [Текст] / Л.А. Ерохина [и др.] // Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. Охрана окружающей среды, ВНИИЭСМ, 1989. - Сер. II. -Вып. 3. - С. 7-8.

4. Ерохина, Л.А. Эффективный стеновой материал на основе отходов [Текст] / Л.А. Ерохина [и др.] // Строительные материалы и конструкции. — 1991. — № 1. - С. 27.

5. Ерохина, Л.А. Вибровакуумная технология ячеистых бетонов [Текст] / Д.И. Гладков, Л.А. Ерохина // Бетон и железобетон. - 1991. — №9.-С. 13.

6. Ерохина, Л.А. Новая технология легких бетонов [Текст] / Д.И. Гладков, Л.А. Ерохина, A.C. Черных // Строительные материалы. - 1994,-№4.-С. 16.

7. Сулейманова, Л.А. К испытанию бетона на морозостойкость [Текст] / Д.И. Гладков, Л.А. Сулейманова // Бетон и железобетон. -1998.-№4.-С. 28.

8. Сулейманова, Л.А. Новая технология ячеистобетонных изделий [Текст] / Д.И. Гладков, Л.А. Сулейманова, A.B. Калашников // Строительные материалы. - 1999. - № 7, 8. - С. 26-27.

9. Сулейманова, Л.А. Новые технологии высокопоризованных бетонов [Текст] / Л.А. Сулейманова [и др.] // Поробетон-2005: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. — Белгород: Изд-во БГТУ, 2005. -С. 6-16.

10. Suleimanova, L.A. Strength as integral characteristic of concrete [Text] / D.I. Gladcov, L.A. Suleimanova, A.P. Nesterov // Cement Combinations for Durable Concrete: Proceedings of the International Conference held at the University Of Dundee, Scotland, UK, 2005. -P. 701-707.

11. Сулейманова, Л.А. Ресурсосберегающие материалы в строительстве [Текст] / Л.А. Сулейманова [и др.] // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2007. - № 7. - С. 113-116.

12. Сулейманова, Л.А. Энергия связи - основа конструктивных и эксплуатационных характеристик бетонов [Текст] / Л.А. Сулейманова // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2007. - № 9. -С. 91-99.

13. Сулейманова, Л.А. Зависимость гидратации клинкерных минералов от вида активной кремнеземсодержащей добавки [Текст] / JI.A. Сулейманова, A.B. Шамшуров // Сб. докл. 3-го (XI) Междун. совещания по химии и технологии цемента. — М., 2009. — С. 222—224.

14. Сулейманова, Л.А. Сухие смеси для ячеистого бетона неавтоклавного твердения добавки [Текст] / JI.A. Сулейманова, И.А. Погорелова // Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: материалы пятой Междунар. науч.-практ. конф. - Махачкала, 2010. -С. 137-144.

15. Сулейманова, Л.А. Неавтоклавные газобетоны на композиционных вяжущих для энергоэффективного строительства [Текст] / JI.A. Сулейманова [и др.] // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2010,-№4.-С. 47-52.

16. Сулейманова, Л.А. Неавтоклавный пеногазобетон на основе сухих строительных смесей [Текст] / Л.А. Сулейманова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 4. - С. 73-80.

17. Сулейманова, Л.А. К вопросу о подборе газообразователей для ячеистых бетонов [Текст] / Л.А. Сулейманова [и др.] // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 1. - С. 20-23.

18. Сулейманова, Л.А. Влияние формы, размера пор и внешнего давления на среднюю плотность и прочность неавтоклавного ячеистого бетона [Текст] / Л.А. Сулейманова [и др.] // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 2. - С. 71-73.

19. Сулейманова, Л.А. Алгоритм получения энергоэффективного газобетона с улучшенными показателями качества [Текст] / Л.А. Сулейманова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 4. -С. 59-61.

20. Сулейманова, Л.А. Специальное композиционное вяжущее для газобетонов неавтоклавного твердения [Текст] / Л.А. Сулейманова, И.В. Жерновский, A.B. Шамшуров // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2012.-№ 1.-С. 39-45.

21. Сулейманова, Л.А. Оптимизация состава неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем [Текст] / Л.А. Сулейманова, К.А. Кара // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 2. - С. 28-30.

22. Сулейманова, Л.А. Энергоэффективные газобетоны на композиционных вяжущих для монолитного строительства [Текст] / B.C. Лесовик, Л.А. Сулейманова, К.А. Кара // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2012. - № 3. - С. 10-20.

23. Suleymanova L.A. Non-autoclaved aerated concrete at composite binding [Text] / L.A. Suleymanova // Ibausil: 18. Internatinale Baustoffiagung. Weimar. -2012. -B.2. - P. 2-0830-2-0835.

24. Сулейманова, Л. А. Топологические свойства полидисперсных смесей и составляющих их фракций по результатам ситового и лазерного анализов гранулометрии [Текст] / А.Н. Хархардин, JI.A. Сулейманова, В.В. Строкова // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2012. -№ 11/12. - С. 114-124.

25. Сулейманова, Л.А. Реверс водоотделения ячеистобетонной смеси [Текст] / А.Н. Хархардин, JI.A. Сулейманова // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2013. —№ 1. — С. 34—38.

26. Сулейманова, Л.А. Топологические свойства полидисперсных композиционных вяжущих для неавтоклавных ячеистых бетонов [Текст] / Л.А. Сулейманова, B.C. Лесовик, А.Н. Хархардин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2013. - № 2. -С. 46-50.

27. Сулейманова, Л.А. Распределение частиц композиционного вяжущего в ячеистобетонной смеси [Текст] / Л.А. Сулейманова,

A.Н. Хархардин // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2013. - № 2/3. - С. 10-15.

28. Сулейманова, Л.А. Вибровакуумированный ячеистый бетон [Текст]: монография / Л.А. Сулейманова. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1997. - 130 с.

29. Сулейманова, Л.А. Сухие строительные смеси для неавтоклавных ячеистых бетонов [Текст]: монография / Л.А. Сулейманова, И.А. Погорелова, В.В. Строкова. - Белгород: КОНСТАНТА, 2009. - 183 с. ISBN: 978-5-9786-0103-9.

30. Сулейманова, Л.А. Неавтоклавные газобетоны на композиционных вяжущих [Текст]: монография / Л.А. Сулейманова,

B.C. Лесовик, А.Г. Сулейманов. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. -152 с. ISBN: 978-5-361-00133-0.

31. Сулейманова, Л.А. Газобетоны на композиционных вяжущих для монолитного строительства [Текст]: монография / Л.А. Сулейманова, К.А. Кара. - Белгород: КОНСТАНТА, 2011. - 151 с. ISBN: 978-5-9786-0197-8.

32. Сулейманова, Л.А. Теплоизоляционные материалы. Формованные теплоизоляционные материалы с использованием вспученного перлитового песка и отходов его производства [Текст] / Л.А. Сулейманова, K.M. Ищенко. - Германия: Изд-во LAP Lambert Academic Publishing GmbH & Co. KG., 2012. - 148 с. ISBN: 978-3-65933366-8.

33. Пат. RUS 2137600. Российская Федерация, МПК7 В28В1/50, С04В38/00, С04В40/00 Способ получения ячеистых бетонов [Текст] / Л.А. Сулейманова, Д.И. Гладков, Л.А. Дедурина, В.В. Тысячук, A.B. Калашников; заявитель и патентообладатель Белгородский

государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. №98108792/03; заявл. 07.05.98; опубл. 20.09.99.

34. Пат. № 2153483. Российская Федерация, МПК7 С 04, В 38/00. Способ изготовления ячеистобетонных изделий [Текст] / JI.A. Сулейманова, Д.И. Гладков, Н.И. Гарбузова, A.B. Калашников; заявитель и патентообладатель Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. № 98111338; заявл. 15.06.98; опубл. 27.07.00, Бюл. № 21. 8 с.

35. Пат. № 2228264, Российская Федерация, МПК7В28, В 17/02. Способ изготовления ячеистобетонных изделий [Текст] / B.C. Лесовик, JI.A. Сулейманова, Д.И. Гладков; заявитель и патентообладатель Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. № 2001114777; заявл. 29.05.01; опубл. 10.05.04, Бюл. № 13.4 с.

36. Пат. 2403231, Российская Федерация, МПК7 С04В 38/02, С04В 38/10. Сухая смесь для теплоизоляционного неавтоклавного пеногазобетона [Текст] / В.В. Строкова, JI.A. Сулейманова, И.А. Погорелова и др.; заявитель и патентообладатель Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. № 2008142460; заявл. 28.10.08; опубл. 10.11.10, Бюл. № 31.

37. А.с, 2010616561. Автоматизированное проектирование структуры ограждающих конструкций для энергоэффективного строительства [Текст] / JI.A. Сулейманова, И.А. Шурлаев; заявитель и правообладатель общество с ограниченной ответственностью «Управление ОПТИМА». - № 2010614930; заявл. 12.08.10; зарегистр. 1.10.10.

СУЛЕЙМАНОВА ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА

ГАЗОБЕТОН НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 01.09.13 г. Формат бумаги 60x84/16. Усл.-печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 281 Отпечатано в БГТУ им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

На правах рукописи

05201450277

СУЛЕЙМАНОВА Людмила Александровна

ГАЗОБЕТОНЫ НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Лесовик Валерий Станиславович

Белгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 13

1.1. Свойства и применение ячеистых бетонов 13

1.2. Формирование пористой структуры ячеистых бетонов 20

1.2.1. Способы формирования пористой структуры 20

1.2.2. Структура пор 24

1.3. Компоненты ячеистого бетона 37

1.3.1. Вяжущие вещества 3 7

1.3.2. Добавки 45

1.4. Повышение эффективности производства ячеистых бетонов 50

1.5. Выводы 55

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА 5 8

2.1. Динамика расширяющейся газовой поры 58

2.2. Устойчивость газовой поры 62

2.3. Распределение пор по размерам 67

2.4. Газообразование в ячеистобетонной смеси 75

2.4.1. Стадии роста газовых пор 75

2.4.2. Образование пористой системы в газобетонной смеси 77

2.4.3. Стадия ускоренного роста газовых пор 79

2.4.4. Стадия снижения скорости роста пор 81

2.4.5. Стадия укрупнения газовых пор 82

2.4.6. Диффузионный рост газовых пор 83

2.4.7. Коалесцентный рост пор 84

2.4.8. Капиллярные явления в газобетонной смеси 88

2.5. Выводы 91

3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ ГАЗОБЕТОНА 93 3.1. Сырьевая база кремнеземсодержащих компонентов для

композиционных вяжущих 93

3.2. Ингредиенты композиционных вяжущих 95

3.3. Энергоемкость помола композиционных вяжущих 102

3.3.1. Агрегаты для помола 102

3.3.2. Помол компонентов и композиционных вяжущих 105

3.4. Гранулометрия композиционных вяжущих 125

3.5. Топология по л идисперсных композиций 135

3.6. Упаковка частиц в мембранах ячеистого бетона 139

3.7. Роль компонентов композиционных вяжущих

в газобетонных смесях 146

3.8. Свойства композиционных вяжущих 149

3.9. Гидратация клинкерных минералов с добавками

различного генезиса 153

3.10. Микроструктура композиционных вяжущих 161

3.11. Выводы 171 4. ИЗДЕЛИЯ ИЗ ГАЗОБЕТОНА НЕАВТОКЛАВНОГО

ТВЕРДЕНИЯ 174

4.1. Топология пор в газобетоне 174

4.2. Роль газообразователя при формировании пористой структуры 183

4.3. Реологические свойства системы «газообразователь -композиционное вяжущее - вода» 187

4.4. Рецептурные и технологические факторы в производстве

изделий из газобетона на композиционных вяжущих 190

4.5. Свойства изделий из газобетона на композиционных вяжущих 196

4.5.1. Средняя плотность и прочность 196

4.5.2. Морозостойкость и водопоглощение 196

4.5.3. Теплопроводность 197

4.5.4. Усадочные деформации при высыхании 197

4.5.5. Паропроницаемость 199

4.6. Пористая структура газобетонных изделий 199

4.7. Выводы 202

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ЯЧЕИСТОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ 204

5.1. Вакуум как фактор поризации смеси 204

5.2. Оптимизация водовяжущего отношения 206

5.3. Оптимизация количества газообразователя 210

5.4. Температура газобетонной смеси 213

5.5. Вибровакуумирование формовочной смеси 215

5.6. Поризация газовоздухосодержащих масс с учетом фактора внешнего давления 218

5.7. Пористая структура вибровакуумированного газобетона

и его свойства 221

5.8. Выводы 228

6. МОНОЛИТНЫЙ ГАЗОБЕТОН НА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ 230

6.1. Реологические свойства системы «газообразователь -композиционное вяжущее - вода» 230

6.2. Регулирование свойств газобетонной смеси и газобетона

с помощью введения добавок 233

6.3. Реверс ячеистобетонных смесей 235

6.4. Рецептурные и технологические факторы в производстве монолитных газобетонов на композиционных вяжущих 240

6.5. Свойства монолитного газобетона на композиционных вяжущих 245

6.5.1. Средняя плотность и прочность 245

6.5.2. Морозостойкость 246

6.5.3. Теплопроводность 246

6.5.4. Усадочные деформации при высыхании 247

6.6. Пористая структура монолитного газобетона 247

6.7. Поризация ячеистых бетонов при электроразогреве 249

6.8. Выводы 253

7. СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА 255

7.1. Рецептурные и технологические факторы в производстве ячеистого бетона на основе сухих строительных смесей 255

7.2. Свойства ячеистого бетона на основе сухих смесей 262

7.3. Пористость ячеистого бетона и определяющие ее факторы 269

7.3.1. Пористость цементного камня 269

7.3.2. Толщина межпоровых перегородок ячеистого бетона 276

7.4. Выводы 281

8. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ НЕАВТОКЛАВНОГО ГАЗОБЕТОНА 283

8.1. Апробация и внедрение газобетонов на композиционных вяжущих 283

8.1.1. Технология производства изделий 285

8.1.2. Производство монолитного газобетона 288

8.1.3. Технология сухих смесей для ячеистых бетонов 291

8.1.4.Технология производства ячеистого бетона с учетом фактора внешнего давления 294

8.2. Экономическая эффективность производства неавтоклавного газобетона на композиционных вяжущих 297

8.3. Оценка энергоэффективности применения газобетона на композиционных вяжущих 300

8.3.1. Технико-экономическая оптимизация уровня теплозащиты ограждающих конструкций 300

8.3.2. Технико-экономическая оценка потенциальной эффективности газобетона с учетом его долговечности 303

8.4. Выводы 307 ВЫВОДЫ 309 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 312 ПРИЛОЖЕНИЯ 357

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Экономия топливно-энергетических ресурсов, повышение эффективности тепловой защиты зданий и сооружений, внедрение энергоэффективных материалов и технологий являются приоритетными направлениями в развитии российской и мировой строительной индустрии.

Одним из эффективных строительных материалов на сегодняшний день является ячеистый бетон. На практике широкое применение нашли изделия из газобетонов автоклавного твердения, производство которых организовано на крупных автоматизированных предприятиях, требующих больших инвестиционных вложений.

Из ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на современном этапе развития малого и среднего бизнеса востребована технология неавтоклавного пенобетона, преимуществами которой являются малая фондоемкость и малая себестоимость продукции.

Газобетон неавтоклавного твердения в настоящее время не находит должного применения в связи с отсутствием принципов управления процессами структурообразования композита для обеспечения его высоких эксплуатационных свойств.

Решение вопросов эффективного производства и применения ячеистых бетонов возможно на высокопоризованных материалах с заданными характеристиками, полученных с использованием композиционных вяжущих, применение которых обеспечит возведение энергоэффективных ограждающих конструкций с оптимальными технико-экономическими показателями.

Работа выполнена в рамках задания Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ 10200504559 «Управление процессами структурообразования цементного камня при синтезе высокоэффективных ячеистых бетонов» (2005-2009), МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом топоморфизма сырья» (2007-2008), 102007082232 «Разработка

фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» (2007-2011), «Разработка теоретических основ получения высококачественных бетонов нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных модификаторов» (2010-2012) и Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг.

Цель работы. Повышение эффективности газобетонов неавтоклавного твердения за счет управления процессами формирования структуры в дисперсной системе с композиционным вяжущим.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- обосновать принципы формирования пористой структуры газобетонов неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих и разработать основы создания оптимальных структур высокопоризованных композитов;

- выявить роль ингредиентов в составе композиционного вяжущего и разработать принципы получения на его основе газобетона с улучшенными свойствами;

- разработать приемы управления свойствами формовочных смесей газобетона с малодефектной поровой структурой;

- разработать технологические приемы формирования структуры на начальных этапах твердения для повышения эффективности ячеистого бетона;

- установить взаимосвязь рецептурных и технологических факторов при получении неавтоклавного газобетона на композиционных вяжущих с улучшенными свойствами;

- произвести промышленную реализацию результатов исследований и оценить их технико-экономическую эффективность.

Научная новизна работы. Выявлены закономерности процессов формирования структуры ячеистого бетона и разработаны принципы повышения эффективности неавтоклавных газобетонов за счет применения композиционных вяжущих, а также управления процессами формирования поровой структуры в трехфазной дисперсной системе и

совершенствования технологических приемов изготовления ячеистобетонных изделий, заключающиеся в формировании состава и гранулометрии вяжущих, которые соответствуют структуре тонких межпоровых перегородок, управлении свойствами смесей для сочетания процессов порообразования и структурообразования с учетом целенаправленного воздействия на баланс сил, действующих в дисперсной системе при образовании поровой структуры.

Установлен характер влияния состава и гранулометрии компонентов композиционных вяжущих с наполнителями различного генезиса и модификаторов вяжущего на свойства ячеистобетонных смесей и характеристики неавтоклавного газобетона. Композиционные вяжущие с полимодальным распределением частиц обеспечивают формирование оптимальной микроструктуры цементного камня межпоровых перегородок за счет самоорганизации и плотной упаковки частиц, что способствует ускорению процессов структурообразования и повышению прочности на ранней стадии твердения газобетона.

Выявлена роль компонентов композиционных вяжущих на формирование свойств поризованных формовочных масс, что обеспечивает получение стабильных малодефектных пористых структур и повышение функциональных показателей качества неавтоклавных газобетонов. Предложено пять стадий роста пор и деление пор по размерам. В современных ячеистых бетонах со средней плотностью менее 1)500 значимыми являются капиллярные явления за счет переменной кривизны поверхности газовых пор.

Выявлены особенности управления процессами образования ячеистой структуры газобетона, основанные на балансе сил в трехфазной дисперсной системе на модели «газовая пора - формовочная смесь» и предложена коалесцентно-агрегативная схема формирования пористости газобетонной смеси. Показано, что в соответствии с уточненным уравнением Рэлея-Плессета, определяющим фактором при формировании ячеистой структуры газобетона является давление над поризуемой смесью, причем эффект поризации достигается за счет снижения внешнего давления до уровня вакуума, соответствующего 0,06...0,095 МПа. Учет

фактора внешнего давления позволяет поризовать высоковязкие композиции с введением газообразователя, а также формировать пористую структуру композиций воздухом, вовлеченным и адсорбированным минеральным наполнителем композиционного вяжущего.

Развиты представления о динамике процесса формирования ячеистой структуры газобетонов неавтоклавного твердения как единичных ячеек, что позволило за счет использования разработанных композиционных вяжущих и технологических приемов производства улучшить свойства неавтоклавных газобетонов. Получены теплоизоляционный газобетон неавтоклавного твердения 1)300, В1, X = 0,07 Вт/(м-°С), Ю5\ конструкционно-теплоизоляционный газобетон £>400, В\,5, Я = 0,08 Вт/(м-°С), ^50; 1)500, 52,5, Л = 0,10 Вт/(м-°С), ^50, которые превышают по характеристикам свойства традиционных ячеистых бетонов неавтоклавного твердения.

Практическая значимость. На основе выявленных

закономерностей формирования пористой структуры обеспечена повышенная эффективность газобетона неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих. Стабильные малодефектные структуры способствуют получению улучшенных функциональных показателей качества неавтоклавных газобетонов. Это связано с одновременным управлением процессами структурообразования твердеющей системы на композиционных вяжущих в межпоровых перегородках за счет самоорганизации в системе, процессами формирования улучшенной пористой структуры ячеистого бетона, а также совершенствованием технологических приемов изготовления изделий.

Композиционные вяжущие с содержанием клинкерной

составляющей до 70 % и с прочностью на сжатие не менее 80 МПа получены за счет использования энергетического потенциала наполнителей различного генезиса при полимодальном распределении частиц вяжущего и модификатора вяжущего и управлении пористой структурой смесей на их основе. Разработаны математические модели и оптимизирован процесс производства неавтоклавного газобетона на композиционных вяжущих, исходя из рецептурных и технологических

факторов производства. Уточнена методика расчета количества газообразователя, учитывающая давление газа в порах вспучивающейся смеси, ее реологические свойства, среднюю плотность, высоту массива, внешнее воздействие на смесь, что в совокупности с характеристиками композиционных вяжущих способствует получению высокопоризованных композитов с заданными свойствами при минимальных затратах.

Установлена взаимосвязь между давлением газовой фазы в формовочной массе с ее реологическими и гравитационными свойствами, диаметром пор, давлением внешней среды и поверхностным натяжением раствора, уточнено уравнение Рэлея-Плессета, что позволило обосновать оптимальные режимы получения качественной высокопоризованной структуры с управлением внешним давлением газовой фазы, обеспечивающие возможность поризовать высоковязкие композиции и получать неавтоклавный газобетон с улучшенными свойствами.

Разработанные композиционные вяжущие и принципы управления процессами образования пористой структуры положены в основу технологии изготовления изделий из газобетона неавтоклавного твердения с улучшенными свойствами, технологии монолитного газобетона, технологии сухих строительных смесей для изготовления ячеистого бетона.

Разработана программа «Автоматизированное проектирование структуры ограждающих конструкций для энергоэффективного строительства» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010616561).

Результаты работы защищены патентами Российской Федерации и внедрены в учебный процесс.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятиях ООО «Экспериментальный цех Экостройматериалы», ООО «Экостройматериалы», ООО «ПромИндустрия», ОАО «БЗ ЖБК-1», ОАО «Стройдеталь», ООО «Поробетон», ООО «Стройколор ЖБК-1», ЗАО «Белгородский цемент» Белгородской области. Газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих применен при строительстве

индивидуальных жилых домов, использован при обустройстве оснований под полы при строительстве Белгородской художественной галереи и в качестве теплоизоляции в колодцевой кладке стен.

Разработаны нормативные и технические документы:

- стандарты организации СТО 02066339-008-2009 «Композиционное вяжущее для неавтоклавных ячеистых бетонов», СТО 02066339-002-2009 «Сухие строительные смеси для неавтоклавных ячеистых бетонов», СТО 02066339-003-2011 «Композиционное вяжущее для газобетонов»;

- технологические регламенты и рекомендации на производство блоков стеновых мелких из ячеистого бетона в ООО «ПромИндустрия», на производство сухих строительных смесей для пеногазобетонов в ООО «Экостройматериалы», на производство теплоизоляционного газобетона с композиционным вяжущим для монолитного строительства в ООО «Экспериментальный цех Экостройматериалы».

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство» и инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», что отражено в учебных программах дисциплин «Композиционные вяжущие» и «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», а также при выполнении НИР и выпускных квалификационных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 29 конференциях: Всесоюзная конференция «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении» (Белгород, 1989), Всесоюзные конференции «Актуальные проблемы снижения материалоемкости в строи