автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Гипсокерамзитобетон повышенной водостойкости

На правах рукописи

КОЗЛОВ Никита Викторович

ГИПСОКЕРАМЗИТОБЕТОН ПОВЫШЕННОЙ ВОДОСТОЙКОСТИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 СЕН 2015

Москва 2015

005562012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук

Панченко Александр Иванович

Официальные оппоненты:

Белов Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тверской государственный технический университет», проректор по инновационному развитию, заведующий кафедрой «Производство строительных изделий и конструкций»

Бессонов Игорь Вячеславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук» (НИИСФ РААСН), заведующий лабораторией «Стройфизика-ТЕСТ»

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное об-

разовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится «28» сентября 2015 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.02, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. № 9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» www.mgsu.ru

Автореферат разослан « Ж 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Алимов Лев Алексеевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Расширение сферы использования гипсовых вяжущих (далее - ГВ) в качестве материалов ограждающих конструкций является перспективным в связи с широким распространением месторождений гипсового камня, наличием большого количества гипсосодержащих отходов, низкой энергоемкости и простотой производства, а также высокой скорости твердения в воздушно-сухих условиях (в сравнении с портландцементом). Факторами, сдерживающими расширение области применения материалов созданных на основе гипсовых вяжущих, являются резкое снижение прочности при увлажнении, низкая стойкость к воздействию окружающей среды, а также высокая ползучесть, то есть низкая эксплуатационная надежность. Одним из способов повышения эксплуатационной надежности является снижение растворимости гипса в сочетании с изменением характера поровой структуры. Использование карбидного ила получаемого в виде отхода при производстве ацетилена совместно с биокремнеземом в качестве компонентов обеспечит помимо технико-экономического и ощутимый экологический эффект, так как при средней производительности ацетилена по состоянии на 2013 год в Российской Федерации 400 тысяч тонн, образуется около 1 миллиона 140 тысяч тонн техногенного отхода - карбидного ила. Работа выполнена в соответствии с локальным проектом № 12 НИУ МГСУ по теме «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием ГР ЦКП МГСУ поисковых НИР в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений» в соответствии с планом научно-исследовательских работ.

Степень разработанности. Проблеме повышения эксплуатационной надежности гипсовых вяжущих посвящены многочисленные работы российских и зарубежных исследователей. В настоящее время одним из перспективных направлений развития данной области является использование смешанных гипсовых вяжущих, в основном гипсоцементнопуццолановых. В последние годы с целью уменьшения количества клинкера в составе смешанного вяжущего были разработаны технологии быстротвердеющего композиционного вяжущего, модифицированного органо-минеральными добавками и бетонов на его основе. Разработанное

водостойкое гипсовое вяжущее низкой водопотребности должно содержать в своем составе до 15 % клинкера и требует дополнительного помола. Для решения данной задачи было разработано многокомпонентное бесклинкерное водостойкое гипсовое вяжущее. Однако, данное вяжущее требует специальных условий твердения (выдержка образцов в нормальных условиях), обладает недостаточной водостойкостью, имеет короткие сроки схватывания и предусматривает повышенный расход дорогостоящих компонентов, повышая тем самым его энергоемкость и стоимость. Таким образом, получение водостойких гипсовых вяжущих основывалось, главным образов, на введении в его состав портландцемента и (или) гидравлической добавки. В связи с этим является актуальной задача получения других, менее энергоемких способов получения гипсовых вяжущих повышенной эксплуатационной надежности.

Цель и задачи. Основной целью работы является получение ГВ повышенной эксплуатационной надежности с использованием карбидного ила и биокремнезема - илистобиокремнеземистых гипсовых вяжущих (далее - ИБГВ), а также обоснование возможности его применения в гипсобетонах, обладающих физико-механическими свойствами, требуемыми для ограждающих конструкций. Для решения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи: -обосновать возможность получения ГВ повышенной эксплуатационной надежности; - разработать оптимальный состав илистокремнеземистой добавки на основе карбидного ила и биокремнезема, вводимой в гипсовое вяжущее для снижения его растворимости и ползучести; - идентифицировать новообразования и установить особенности физико-химических процессов, связанных с твердением ГВ повышенной водостойкости с применением карбидного ила и биокремнезема; - провести комплексную оценку свойств гипсокерамзитобетонов на основе предложенных вяжущих; - разработать рекомендации по подбору составов гипсокерамзитобетонов из ГВ повышенной водостойкости; - провести опытно-промышленную апробацию результатов исследования.

Научная новизна. Обоснована возможность получения ИБГВ с повышенной в 1,8-2,2 раза водостойкостью с коэффициентом размягчения до 0,91 и гипсо-

керамзитобетонов на его основе, отвечающих требованиям к материалам для ограждающих конструкций, путем введения илистокремнеземистой добавки, содержащей карбидный ил и биокремнезем, обеспечивающей условия формирования более плотной структуры за счет образования низкоосновных гидросиликатов кальция в ранние сроки при твердении в воздушно-сухих условиях.

Разработанное вяжущее и бетоны на его основе имеют меньшую в 1,5-3 раза открытую пористость, большую прочность на сжатие в 1,4-1,6 раз, морозостойкость в 2-3 раза, водонепроницаемость в 2,5-2,7 раза, а также пониженную в 2,12,3 раза ползучесть и в 3,5-3,8 раз усадку относительно исходного гипса и гипсо-керамзитобетона и не требуют специальных условий выдерживания в сравнении с другими многокомпонентными гипсовыми вяжущими.

Установлено, количество открытых пор затвердевшего ИБГВ в 1,5...3 раза меньше количества открытых пор двуводного гипса, поровая структура затвердевшего ИБГВ является мелкопористой: основной размер пор затвердевшего ИБГВ составляет 0,001 - 0,005 мкм в сравнении с 0,004 - 0,1 мкм затвердевшего двуводного гипса. С характером поровой структуры связана повышенная эксплуатационная надежность созданного материала и гипсокерамзитобетонов на его основе.

Установлено с помощью электронно-микроскопического, рентгенофазового и термических методов анализа, что введение илистокремнеземистой добавки в состав смешанного гипсового вяжущего приводит к образованию в составе затвердевшего материала новообразований, включающих тоберморитоподобные низкоосновные малорастворимые гидросиликаты кальция, уплотняющие структуру и как следствие затрудняющие проникновение влаги извне в гипсовый камень и повышающие их водостойкость. Заполнение порового пространства между кристаллами двуводного гипса вышеуказанными новообразованиями снижает его растворимость с 0,038 - 0,05 г/см3 до 0,001 г/см3.

Выявлены закономерности влияния состава илистокремнеземистой добавки на свойства ИБГВ, а также с помощью математического планирования эксперимента предложена метод расчета оптимального состава ИБГВ для конкретных ин-

гредиентов. Получены математические модели, показывающие зависимость коэффициента размягчения, прочности в водонасыщенном состоянии, величины открытой пористости и отношения открытой к общей пористости от главных рецептурных факторов: соотношения биокремнезем/карбидный ил в добавке, количества вводимой илистокремнеземистой добавки и марки используемого гипса.

Показано, что керамзитобетоны на основе ИБГВ обладают повышенной эксплуатационной надежностью относительно обычного гипсобетона и по своим свойствам приближаются к бетонам на основе портландцемента равного класса.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана технология ИБГВ и гипсокерамзитобетонов повышенной эксплуатационной надежностью для ограждающих конструкций на их основе, включающая использование илистокремнеземистой добавки с использованием карбидного ила и биокремнезема, позволяющая получить гипсобетоны с требуемыми эксплуатационными характеристиками. Получены гипсокерамзитобетоны на основе ИБГВ и изделия, которые по своим показателям отвечают требованиям к материалам для ограждающих конструкций. Разработаны рекомендации по использованию ИБГВ и гипсокерамзитобетонов на их основе при изготовлении стеновых блоков. Предложена методика подбора состава бетонов на основе ИБГВ с заданными свойствами. Показана экономическая эффективность производства ИБГВ за счет снижения затрат электроэнергии в 2,5 - 3 раз и топлива в 3 - 3,5 раза относительно других широко распространенных вяжущих веществ. Новизна разработок подтверждена решением о выдаче патента на изобретение от 03.07.2015 г. по заявке № 2014117813 «Вяжущее» от 05.05.2014 г.

Методология и методы диссертационного исследования. Методология проведенных исследований заключалась в применении действующих ГОСТ и современных аналитических способов изучения структурных характеристик бетона. Методами диссертационного исследования служили метод эталонной поромет-рии, рентгенофазовый, электронно-микроскопический и термический методы анализов. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили посредством ЭВМ.

Степень достоверности и апробация результатов. Высокая степень достоверности результатов обеспечивается использованием статистических методов обработки данных, аттестованного лабораторного оборудования, стандартных методов испытаний и современных аналитических способов определения свойств материалов. Результаты исследований по отдельным разделам диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2013 г.), международной научной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013 г.), научно практическом семинаре с участием иностранных специалистов «Производство энерго- и ресурсосберегающих строительных материалов и изделий» (Ташкент, 2013 г.), международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2014 г.), международной заочной научно-технической конференции «Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании» (Тверь, 2013 г.), всероссийской с международным участием научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» (Красноярск, 2014 г.), международной научно-технической конференции с заочным участием «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2014 г.), международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2014 г.), 66-й Всероссийской научной конференции преподавателей, аспирантов, соискателей и студентов по проблемам архитектуры и строительства (Казань, 2014 г.), международной конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий» (Нижний Новгород, 2014 г.), юбилейной международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения) «Наукоемкие технологии и инновации» (Белгород, 2014 г.).

Внедрение результатов исследования. Опытно-промышленная апробация разработанных рекомендаций по приготовлению бетонной смеси и технологии

изготовления изделий для ограждающих конструкций на основе ИБГВ осуществлялась в 2014 году на предприятии ООО «Производственно-коммерческая фирма Стройбетон», в ходе которой была выпущена опытная партия стеновых блоков из керамзитобетона на основе ИБГВ.

Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в обобщении, систематизации и развитии теоритических составляющих исследуемых вопросов, а также разработке и апробации полученных результатов. Соискателем самостоятельно получены, интерпретированы и апробированы результаты исследования.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в двенадцати публикациях, в том числе в трех российских рецензируемых научных журналах согласно перечню ВАК и заявке о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 132 страницах машинописного текса, включающего 50 рисунков, 28 таблицы, 118 наименований литературных источников.

Положения, выносимые на защиту: - обоснование возможности получения ГВ повышенной водостойкости путем введения илистокремнеземистой добавки содержащей карбидный ил и биокремнезем, позволяющей создать условия формирования более плотной структуры за счет новообразований и снижения открытой пористости, способствующей повышению водостойкости, прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, трещиностойкости, снижению ползучести и усадки, не требующих специальных условий выдерживания в сравнении с другими многокомпонентными гипсовыми вяжущими; - закономерности влияния состава илистокремнеземистой добавки на свойства ИБГВ; - метод расчета оптимального состава ИБГВ; - математические модели, показывающие зависимость коэффициента размягчения, прочности в водонасыщенном состоянии, величины открытой пористости и отношения открытой к общей пористости от главных рецептурных факторов: соотношения биокремнезем/карбидный ил в добавке, количества вводимой илистокремнеземистой добавки и марки используемого гипса; -

закономерности влияния состава ИБГВ на физико-механические свойства бетонов на его основе; - методика подбора состава бетона на основе ИБГВ с заданными свойствами; - результаты опытно-промышленной апробации.

Содержание работы

Проблеме повышения водостойкости ГВ как в России, так и за рубежом, посвящены работы многих ученых, начиная с 40-х годов прошлого столетия. Анализ литературных данных выявил три основных способа повышения водостойкости ГВ: - снижение растворимости затвердевшего гипса; - изменение капиллярно-пористой структуры гипсового камня с целью снижения водопоглощения и водопроницаемости; - поверхностная пропитка и гидрофобизация, а так же поверхностная защита материалами, препятствующими водонасыщению затвердевшего гипса. По нашему мнению, более перспективными являются первые два пути, так как в этих случаях водостойкость материала повышается по всему объему независимо от случайных факторов, связанных с повреждением поверхности изделия или конструкции. Повышение водостойкости за счет снижения растворимости гипса в сочетании с изменением характера поровой структуры решается за счет использования смешанных ГВ, в основном гипсоцементнопуццолановых (далее -ГЦПВ). Однако, использование ГЦПВ связано с необходимостью исследования и подбора состава этого смешанного вяжущего с учетом химического (минералогического) состава цемента и пуццолановой добавки. Кроме того, в составе ГЦПВ до 25 процентов портландцемента, что повышает его энергоемкость и стоимость.

В последние годы с целью уменьшения количества клинкера в составе смешанного вяжущего были разработаны технологии быстротвердеющего композиционного вяжущего, модифицированного органо-минеральными добавками и бетонов на его основе, но оно должно содержать в своем составе до 15 % клинкера и требует дополнительного помола. В настоящее время известно многокомпонентное бесклинкерное водостойкое гипсовое вяжущее (далее - МБВГВ), которое обеспечивает повышение водостойкости материала в затвердевшем состоянии, снижение трудоемкости и упрощение приготовления смешанного гипсового вяжущего. Вяжущее содержит: полуводный гипс; микрокремнезем; оксид кальция;

суперпластификатор С-3. Однако данное вяжущее требует специальных условий твердения (выдержка образцов в нормальных условиях в течение 14 суток) для получения материала повышенной водостойкости (с коэффициентом размягчения 0,73-0,79) и использования дорогостоящих компонентов, а так же имеет короткие сроки схватывания. В связи с этим является актуальной задача получения других, менее энергоемких, экономически и экологически эффективных способов получения ГВ повышенной прочности, водо- и морозостойкости. Наиболее эффективно можно повысить водостойкость гипса путем снижения растворимости затвердевшего двуводного гипса совместно с получением внутри сформировавшейся структуры низкоосновных гидросиликатов кальция, препятствующих проникновение влаги в бетон или гипсовый камень. В диссертационной работе для ИБГВ исследовались такой малоизученный кремнеземсодержащий материал, как биокремнезем, а также промышленный отход - карбидный ил, который обеспечивает при его применении получение не только технико-экономического, но и экологического эффекта. Взаимодействие активного БЮг и Са(ОН)2, входящих в состав добавки, приводит к образованию малорастворимых низкоосновных гидросиликатов кальция по реакции Са(ОН)2 + 5Ю2= Са08Ю2-Н20, уплотняющих структуру материала и препятствующих проникновению влаги внутрь затвердевшего гипса. Для подтверждения высказанных положений были выполнены исследования с использованием следующих материалов: - полуводный гипс семи различных партий, семи марок, трех заводов России (Краснодар, Москва, Санкт-Петербург) соответствующий требованиям ГОСТ 125-79* «Вяжущие гипсовые. Технические условия»; - микрокремнезем с Новолипецкого металлургического завода (г. Липецк) - сопутствующий продукт производства кремневых и ферро-кремниевых сплавов, он образуется в результате реакции восстановления высокочистого кварца с углем и представляет собой высокодисперсную пыль кремнезема, улавливаемую фильтрами из отводящих газов с гидравлической активностью около 250 мг/г. Химический состав микрокремнезема приведен в таблице 1; - биокремнезем с Диатомитового комбината (г. Инза) согласно ТУ 5716-013-253101442008 «Порошок диатомитовый тонкодисперсный» - тонко дисперсный диоксид

кремния биогенного происхождения, получаемый в результате специальной комбинированной активации природного диатомита, прошедшего термическую обработку при температуре 700...800 °С, с гидравлической активностью около 395 мг/г. Химический состав биокремнезема приведен в таблице 1; - карбидный ил (ТУ 206-9290-08-90 «Карбидный ил (известь гашеная)») - промышленный отход получаемый в ацетиленовых генераторах при разложении карбида кальция СаС2 водой при производстве ацетилена, по реакции: СаС2 + Н20 = Са(ОН)2 + С2Н2 с ацетиленовой станции (г. Одинцово) с химическим составом указанным в таблице 2; - портландцемент марки М 400 Липецкого цементного завода (ЗАО «Липецк-цемент») соответствующий требованиям ГОСТ 10178-85* «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» - применялся для сравнительных испытаний; - легкие заполнители - рядовой и фракционированный керамзитовый гравий насыпной плотностью 500 кг/м3, керамзитовый песок насыпной плотностью 700 кг/м3; - мелкий заполнитель - кварцевый песок из Люберецкого месторождения. Его основные характеристики удовлетворяют требованиям ГОСТ 873693* «Песок для строительных работ. Технические условия»; - замедлитель схватывания - тетраборнокислый натрий согласно ГОСТ 8429-77 «Бура. Технические условия» (г. Буй, Костромской области); - пластифицирующая добавка - суперпластификатор С-3 (г. Владимир) по ТУ 5745-004-43184789-05 «Суперпластификатор С-3».

Таблица 1.

Химический состав минеральных добавок

Добавка Соде эжание, мае. %

п.п.п. 8Ю2 А12Оз Ре203 КчО М80 СаО

Микрокремнезем 0,3 92,0 1,2 5,2 0,5 0,5 0,3

Биокремнезем 1,8 87,0 6,2 2,9 1,3 0,8 -

Таблица 2.

Химический состав карбидного ила

Добавка Содержание, мае. %

Са(ОН), 5Ю2 СаСОз п.п.п.

Карбидный ил 93,9 0,5 5,6 -

Для получения многокомпонентного гипсового вяжущего (далее - МГВ) первоначально была оценена эффективность применения различных компонентов

добавки. В ходе эксперимента, для приготовления MTB использовались, полуводный гипс марки Г5, карбидный ил, кремнеземистая составляющая (микрокремнезем и биокремнезем), пластифицирующая добавка. Приготовленные образцы выдерживались в естественно-сухих условиях в течении 28 суток. Проведенные предварительные исследования показали возможность применения микрокремнезема и биокремнезема как кремнеземсодержащего компонента илистокремнезе-мистой добавки, однако эффективность их применения различна (рисунок 1).

п

25 прочность образцов на сжатие в высушенном состоянии, МПа

о | 8 ц g. S 8 u i I прочность образцов на

8 §. igoS i § & К сжатие в

о 5 а S о £ о о

sk с § * я с ю я я водонасыщенном

СП О Я -3 ~ S .

я s s состоянии, МПа

Рисунок 1. Сравнение эффективности использования микрокремнезема и биокремнезема в качестве компонентов илистокремнеземистой добавки Использование в составе илистокремнеземистой добавки микрокремнезема

позволяет повысить прочность материала на основе MTB в водонасыщенном состоянии в 1,6 раз, а прочность в высушенном состоянии в 1,1 раз, а использование биокремнезема повышает прочность в 2,6 и 1,4 раза - соответственно в водонасыщенном и высушенном состояниях. Оптимальное отношение между микрокремнеземом (биокремнеземом) и карбидным илом определялось как на смесях кремнеземистой составляющей с карбидным илом, так и на MTB с различным соотношением между кремнеземистой составляющей и карбидным илом. Основной объем исследований выполнялся на образцах-балочках 4x4x16 см, условиями твердения были выбраны выдерживание в нормальных условиях в течении 28 суток. Все составы MTB изготовлялись на тесте нормальной густоты исходного гипсового вяжущего. Испытания ГВ осуществлялось по ГОСТ 23789-79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний». Коэффициент размягчения гипса и MTB определялся по ТУ 21-31-62-89. Результаты исследований показали, что в качестве оптимального с точки зрения повышения водостойкости и прочности следует

считать соотношение между микрокремнеземом и карбидным илом в составе илистокремнеземистой добавки - 1-1,2, а между биокремнеземом и карбидным илом -0,5-0,7 (рисунок 2). Таким образом, расход биокремнезема для обеспечения полноты прохождения реакции в 1,8 раз меньше, чем микрокремнезема.

15

МТБ с

микро кремнеземом МТБ с

биокремнеземом

1,3 1,2 1,1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 8102/Са(0Н)2

Рисунок 2. Зависимость прочности в водонасыщенном состоянии образцов МГВ от соотношения 8Ю2/Са(ОН)2

Оптимальное количество илистокремнеземистой добавки, вводимой в гипс, находится в интервале 15-25 % от массы гипсового вяжущего, в зависимости от активности исходного полуводного гипса (рисунок 3).

14

20 15 10 5 количество, %

Рисунок 3. Прочность при сжатии образцов: 1 - в высушенном состоянии; - в водонасыщенном состоянии, в зависимости от количества илистокремнеземистой добавки: А - МГВ с микрокремнеземом; Б - МГВ с биокремнеземом

Для определения влияния условий твердения на свойства МГВ были применены разные условия твердения: 1) естественно-сухие условия 28 суток - ЕСУ; 2) тепловлажностная обработка при температуре 80 °С (8 часов) - ТВО; 3) нормальные условия (камера нормального твердения) 28 суток - НУ. Для получения материала с повышенной водостойкостью при применении илистокремнеземистой добавки на основе микрокремнезема и карбидного ила требуется осуществление тепловлажностной обработки или его выдержка в нормальных условиях. Использование илистокремнеземистой добавки на основе биокремнезема и карбидного ила не требует специальных условий твердения. При твердении образцов с или-

стокремнеземистой добавкой на основе биокремнезема в естественно-сухих условиях коэффициент размягчения изделия снижается незначительно, а его значение и в этом случае не меньше 0,85 (рисунок 4).

Соотношение активных 8Ю2/Са(ОН)2 в добавке

Рисунок 4. Изменение прочности водонасыщенных образцов: 1 - МГВ с микрокремнеземом; 2 - МГВ с биокремнеземом, при различных условиях твердения в зависимости от соотношения активных 8Ю2/Са(ОН)2 в добавке

Из рисунка видно, что использование биокремнезема в качестве компонента илистокремнеземистой добавки снижает изменение коэффициента размягченияД, относительно микрокремнезема в 3,6 раза. Снижение коэффициента размягчения при различных условиях твердения для добавки на основе биокремнезема составляет 5 %, микрокремнезема - 18 %. Таким образом, применение МГВ с биокремнеземом не требует специальных условий твердения (тепловлажностная обработка или выдержка образцов в нормальных условиях). Кроме того, использование биокремнезема повышает экономическую эффективность от его применении, снижая стоимость материала (таблица 3).

Таблица 3.

Сравнение показателей стоимости добавок

Материалы Расход Стоимость, руб./тонна

МБВГВ ИБГВ МБВГВ ИБГВ

Кремнеземсодержащая добавка 54,5 37,5 12000 5000

Са(ОН)2 45,5 62,5 2000 2000

ИТОГО 7 450 3 125

Из таблицы видно, что стоимость илистокремнеземистой добавки на основе биокремнезема ниже стоимости подобной добавки на основе микрокремнезема в 2,4 раза. Таким образом, результатами проведенных исследований было подтвер-

ждено, что применение биокремнезема более эффективно по использованию в качестве кремнеземистого компонента илистокремнеземистой добавки, поэтому в дальнейшей работе основным кремнеземистым компонентом принят биокремнезем.

Влияние соотношения компонентов добавки к гипсовому вяжущему разных марок на их основные свойства было исследовано с помощью математического моделирования экспериментов. На основе полученных результатов предложен метод расчета оптимального состава ИБГВ. Расчет количества илистокремнеземистой добавки, вводимой в состав многокомпонентного вяжущего на основе различных марок гипса, выполняется на основании полученной в результате обработки результатов исследования зависимости:

(2 = 24,7 - 0,4 • А, (1)

где О - количество вводимых в состав вяжущего биокремнезема и карбидного ила, % от массы вяжущего;

А - активность исходного полуводного гипса по паспорту, МПа. Эта зависимость применима для гипсов активностью до 25 МПа. Основываясь на предложенной зависимости (1), можно рассчитать и необходимое количество вводимых в гипс биокремнезема и карбидного ила:

БК = 15,44 - 0,25 • А, (2)

где БК - количество необходимого биокремнезема, % от массы вяжущего; А - активность исходного полуводного гипса по паспорту, МПа. КИ = 9,26-0,15 • А, (3)

где КИ - количество необходимого карбидного ила, % от массы вяжущего; А - активность исходного полуводного гипса по паспорту, МПа. Замедленная скорость сушки образцов ИБГВ дала возможность сделать предположение, что структура затвердевшего материала более мелкопористая с меньшим количеством пор и капилляров, сообщающихся с внешней средой, благодаря чему уменьшается потеря влаги из структуры материала, что обеспечивает полноту прохождения реакций с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция в ранние сроки. Это объясняется высокой скоростью поглощения кар-

бидного ила биокремнеземом, так через 30 суток она до 4 раз превышает аналогичный показатель природных активных минеральных добавок и на 60% выше активности микрокремнезема. Проведенные исследования показали, что наряду с высоким показателем активности в возрасте 30 суток для биокремнезема наблюдается интенсивное поглощение карбидного ила в первые 3 суток с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция. Это позволяет сформироваться более мелкопористой структуре и существенному снижению скорости удаления воды из затвердевшего камня в начальный период твердения, что способствует более полному прохождению реакций между биокремнеземом и карбидным илом без необходимости обеспечения влажных условий твердения по сравнению с твердеющим гипсовым камнем с добавкой микрокремнезема. Результаты исследований поро-вой структуры образцов ИБГВ в возрасте 3 суток, проведенные на анализаторе удельной поверхности и размера пор, а также характера распределения пор по объему установленный методом эталонной порометрии при помощи автоматизированного эталонного поромера, подтвердил гипотезу о мелкопористой структуре материала (рисунок 5). В результате исследования поровой структуры установлено, что поровая структура ИБГВ существенно отличается от структуры исходного гипса: количество открытых пор затвердевшего ИБГВ в 1,5...3 раза меньше количества открытых пор двуводного гипса, поровая структура затвердевшего ИБГВ является мелкопористой: основной размер пор затвердевшего ИБГВ составляет 0,001 - 0,005 мкм в сравнении с 0,004 - 0,1 мкм затвердевшего двуводного гипса. Так количество микропор у затвердевшего ГВ составляет - около 50 % от занимаемого объема, а у затвердевшего ИБГВ - около 80 %, что является предпосылкой повышения водостойкости и морозостойкости ИБГВ и бетонов на его основе.

А) Б)

2

0

feu } •{-

- »о

о о о

шь

■ Микропоры (г<0,005 мкм) Переходные (г = 0,005 - 0,1 мкм) Макропоры (г>0,1 мкм)

Рисунок 5. Распределение пор относительно занимаемого объема затвердевших образцов: А - ГВ; Б - ИБГВ

На основании полученных данных установлены аналитические зависимости коэффициента размягчения ИБГВ от величины открытой пористости: Кр = 1 - 0,014 • П„. Получены математические модели, показывающие зависимость коэффициента размягчения Кр, прочности в водонасыщенном состоянии К"ж, величины открытой пористости П0 и отношения открытой к общей пористости П„/П от главных рецептурных факторов: соотношения 8Ю2/Са(ОН)2 в добавке, количества вводимой илистокремнеземистой добавки и марки используемого гипса. С помощью рентгенофазового (рисунки 6 и 7), электронно-микроскопического (рисунок 8) и термических методов анализов определены новообразования, включающие низкоосновные малорастворимые гидросиликаты кальция, уплотняющие структуру материала на основе ИБГВ с более плотной упаковкой зерен и компактным расположением кристаллов, что сказывается на повышении его водостойкости и снижении ползучести относительно ГВ. Проведенные исследования влияний условий твердения на свойства затвердевшего ИБГВ показали, что вслед за укладкой смеси существует несколько вариантов выдерживания материалов: естественно-сухие условия, нормальные условия твердения и тепловлажностная обработка. Определено, что наиболее быстро по времени и продуктивно по повышению водостойкости изделия является его пропаривание, но этот способ технически труден и не всегда доступен. Приблизительно равного коэффициента размягчения возможно достичь при выдерживании образцов ИБГВ в нормальных условиях в течении 14 суток. При твердении образцов в воздушно-сухих условиях в течении 14 суток коэффициент размягчения изделия снижается незначительно и его значение в этом случае не меньше 0,85. Это означает, что для получения водостойких материалов приемлем любой способ.

б 1 с в и

__, 1? „) 1 1 ? ° о ° ° 0 ■ж» 0 о о

Рисунок 6. Рентгенограмма образца ГВ, совмещенная с его фазовым составом: О - двуводный гипс; А - ангидрит П; 0 - кварц; О - доломит

С-Б-Н (I)

С-5-Н(1)

--гт-л_

?да» «^Ие ЬМ: Свг4»

Р

____

Рисунок 7. Рентгенограмма образца ИБГВ, совмещенная с его фазовым составом: в - двуводный гипс; А - ангидрит П; <3 - кварц; Б - доломит; С-Э-Н (I) - низкоосновные гидросиликаты кальция

А) Я б)

Рисунок 8. Структура под электронным микроскопом с увеличением 5000 раз: А- ГВ; Б - ИБГВ

На основе ИБГВ с помощью расчетно-экспериментального метода были подобраны составы конструкционно-теплоизоляционного керамзитобетона для малоэтажного строительства (таблица 4).

Таблица 4.

Составы керамзитобетонов на основе ГВ

Наименование и шифр бетона Класс бетона по пр. при сж. Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси

Вяжущ., кг Вода Керам., кг Керам. пес., кг Кварц, пес., кг

ГВ-1 В 7,5 490 315 350 260 -

ГВ-2 В 10 350 220 460 - 430

ИБГВ-1 В 7,5 330 210 460 350 -

ИБГВ-2 В 10 350 220 460 - 430

Результаты физико-механических испытаний бетона на основе ИБГВ позволили сделать вывод, что достигнутый уровень показателей отвечает требованиям к материалам для ограждающих конструкций применяемым в малоэтажном строительстве (таблица 5). Коэффициент теплопроводности X в результате измерений

составил 0,275...0,315 Вт/м°С, что позволяет использовать материал в качестве

стенового.

Таблица 5.

Основные свойства материалов на основе ГВ

Шифр бетона Класс бетона по пр. при сж. рср, кг/м3 в сух. сост., МПа Кр F, кол-во циклов

ГВ-1 В7,5 1200 10,5 0,45 15

ГВ-2 BIO 1300 12,4 0,46 25

ИБГВ-1 В7,5 1200 15,7 0,88 100

ИБГВ-2 BIO 1300 18,0 0,87 125

Повышенный pH ИБГВ (10,5... 11,2) относительно исходного гипса (6,8...7,5) позволяет прогнозировать более благоприятные условия работы арматуры в средах с ИБГВ из-за замедления процессов коррозии. Кроме того, параметры деформирования керамзитобетона на основе ИБГВ аналогичны среднему уровню бетонов равного класса на основе портландцемента. Это позволяет производить из таких бетонов и железобетонные конструкции при обеспечении защиты арматуры (таблица 6). Разработанный материал выдержал 125 циклов замораживания-оттаивания, что значительно превышает требования по морозостойкости, предъявляемые к стеновым материалам. Обычный гипсокерамзитобетон на основе ГВ выдержал лишь 25 циклов, то есть в 5 раз меньше. Испытания на стойкость к попеременному нагреванию-остыванию и увлажнению-высушиванию показали, что бетон на основе ИБГВ через 90 циклов теряет лишь 5 % прочности, а обычный гипсобетон - до 50 %.

Таблица 6.

Физико-механические характеристики бетонов

Свойства Вяжущие, класс бетона BIO

ГВ ИБГВ пц

Проч. на сжатие в водонас. сост., МПа 4,6 9,6 11,3

Модуль упругости, МПа 8300 19100 22000

Отн. деформация ползуч., хЮ"5, МПа"1 26,8 12,3 10,5

Марка по морозостойкости, Б 25 125 100

Коэффициент размягчения, К„ 0,45 0,87 0,92

В числе факторов, сдерживающих применение ГВ в несущих ограждающих конструкциях является его высокая ползучесть. Мера ползучести бетона на осно-

ве ИБГВ находится на уровне цементного бетона равного класса и в 2,2 раза ниже, чем у бетона на основе ГВ, что дает возможность его применения в несущих ограждающих конструкциях. Величина сопротивления водопроницанию керамзи-тобетона на основе ИБГВ в 2,6 раза больше, чем сопротивление водопроницанию керамзитобетона на основе ГВ. По совокупности свойств, приведенных в таблице 6, можно утверждать, что керамзитобетон на основе ИБГВ пригоден для использования в несущих ограждающих конструкциях в малоэтажном строительстве. На основе проведенных комплексных исследований состава и свойств легких бетонов на основе ИБГВ предложен метод подбора состава этих бетонов с заданными свойствами. Опытно-промышленная апробация разработанных составов гипсоке-рамзитобетонов на основе ИБГВ подтвердила рекомендации полученные на основе исследований и показала технико-экономическую эффективность и целесообразность применения в качестве материалов применяемых для ограждающих конструкций. В сравнении с другими широко распространенными вяжущими веществами на производство ИБГВ затрачивается в 3...3,3 раза меньше топлива, чем на известь и цемент соответственно, энергозатраты относительно производства цемента снижаются в 5 раз. Кроме того, экономическая эффективность использования бетонов на основе ИБГВ обуславливается использованием промышленных отходов и снижением расхода кремнеземсодержащего компонента на 50 %, что снижает стоимость илистокремнеземистой добавки на основе биокремнезема относительно аналогичной добавки на основе микрокремнезема в 2,4 раза, а также снижением материалоемкости производства и высокой оборачиваемостью форм или опалубки, возможностью уменьшить толщину стен, повышенными декоративными качествами бетонов по сравнению с бетонами на основе ПЦ, повышенной эксплуатационной надежностью по сравнению с бетонами на основе ГВ.

Заключение

Итоги выполненного исследования:

1. Обоснована возможность получения гипсового вяжущего повышенной водостойкости и гипсокерамзитобетонов на его основе, отвечающих требованиям к материалам для ограждающих конструкций, путем введения илистокремнеземи-

стой добавки содержащей карбидный in и биокремнезем, позволяющей создать условия формирования более плотной структуры за счет новообразований - низкоосновных гидросиликатов кальция и снижения открытой пористости в 1,5-3 раза, способствующей повышению водостойкости в 1,8-2,2 раза с коэффициентом размягчения до 0,91, прочности на сжатие в 1,4-1,6 раз, морозостойкости в 2-3 раза, водонепроницаемости в 2,5-2,7 раза и снижению ползучести в 2,1-2,3 раза и усадки в 3,5-3,8 раз бетонов относительно исходного гипсокерамзитобетона. При этом вяжущее ИБГВ не требует специальных условий выдерживания в сравнении с другими MTB.

2. Установлено, что поровая структура ИБГВ существенно отличается от структуры исходного двуводного гипса: основной размер пор затвердевшего ИБГВ составляет 0,001 - 0,005 мкм против 0,004 - 0,1 мкм для исходного гипсового камня, а количество открытых пор в 1,5...3 раза меньше. Так количество мик-ропор у затвердевшего ГВ составляет - около 50 % от занимаемого объема, а у затвердевшего ИБГВ - около 80 %, что является предпосылкой повышения водостойкости и морозостойкости ИБГВ и бетонов на его основе.

3. Установлено, что интенсивное поглощение карбидного ила в первые 3 суток с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция обеспечивает формирование мелкопористой структуры и существенно снижает скорость удаления воды из твердеющего камня в начальный период твердения, что способствует более полному прохождению реакций между биокремнеземом и карбидным илом без необходимости обеспечения влажных условий твердения.

4. С помощью рентгенофазового, электронно-микроскопического и термических методов анализа установлено, что введение илистокремнеземистой добавки в состав смешанного гипсового вяжущего приводит к образованию тобермори-топодобных низкоосновных малорастворимых гидросиликатов кальция, уплотняющих структуру и как следствие затрудняющих проникновение влаги извне в гипсовый камень и повышающих их водостойкость. Заполнение порового пространства между кристаллами двуводного гипса вышеуказанными новообразованиями снижает его растворимость с 0,038 - 0,05 г/см3 до 0,001 г/см3.

5. Получены математические модели, описывающие зависимость прочности в водонасыщенном состоянии, коэффициента размягчения, величины открытой пористости и соотношения открытой и общей пористости от основных рецептурных факторов: количества вводимой илистокремнеземистой добавки, соотношения биокремнезем/карбидный ил в добавке и марки используемого гипса.

6. Повышенный рН ИБГВ (10,5...11,2) относительно исходного гипса (6,8...7,5) позволяет прогнозировать более благоприятные условия работы арматуры из-за замедления процессов коррозии.

7. Получены гипсокерамзитобетоны на основе ИБГВ и изделия, которые по своим показателям отвечают требованиям к материалам для ограждающих конструкций в малоэтажном строительстве.

8. Показано, что керамзитобетоны на основе ИБГВ обладают повышенной эксплуатационной надежностью относительно гипсобетона и по своим свойствам приближаются к бетонам на основе портландцемента равного класса

9. Предложена методика подбора состава бетона на основе ИБГВ с заданными свойствами.

10. Экономическая эффективность применения ИБГВ обуславливается использованием промышленных отходов, снижением энергозатрат на его производство, материалоемкости производства и высокой оборачиваемостью форм или опалубки, возможностью уменьшить толщину стен, повышенными декоративными качествами бетонов по сравнению с бетонами на основе ПЦ, повышенной эксплуатационной надежностью и пониженной стоимостью по сравнению с бетонами на основе других гипсовых вяжущих.

11. Рекомендации по приготовлению бетонной смеси и предложенной технологии легкого бетона для ограждающих конструкций на основе ИБГВ могут быть использованы в производстве строительных материалов и изделиях на их основе.

12. Перспективы дальнейшей разработки темы видятся в возможном эффективном применении ИБГВ в ячеистых и фибробетонах, в штукатурных и кладочных растворах.

Список научных трудов, в которых изложены основные положения работы:

- в рекомендованных ВАК изданиях:

1. Козлов Н.В., Панченко А.И., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Г., Булдыжова E.H., Гальцева H.A. Гипсовые вяжущие повышенной водостойкости на основе промышленных отходов // Научное обозрение, 2013, - № 9. - С. 200205.

2. Козлов Н.В., Панченко А.И., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Г. Микроструктура гипсового вяжущего повышенной водостойкости // Строительные материалы, 2014,-№ 5.-С. 72-75.

3. Панченко А.И., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Г., Козлов Н.В., Пашкевич С.А. Комплексная оценка эффективности применения гипсового вяжущего повышенной водостойкости//Строительные материалы, 2014, -№ 12. — С. 72-75.

- в патенте РФ:

1. Решение о выдаче патента на изобретение от 03.07.2015 г. по заявке 2014117813 Российская Федерация МПК С04В11/00, МПК С04В111/20. Вяжущее / Панченко А.И., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Г., Козлов Н.В.; заявители и патентообладатели Панченко А.И., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Г., Козлов Н.В.; заявление 05.05.14; приоритет 05.05.14.

- статьи в других изданиях и сборниках:

1. Панченко А.И., Бурьянов А.Ф., Козлов Н.В., Булдыжова E.H., Гальцева H.A. Повышение водостойкости гипса // Московский государственный строительный университет. Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: сборник тезисов Международной научной конференции, 2013,-С. 287-288.

2. Козлов Н.В., Панченко А.И., Бурьянов А.Ф. Гипсовые вяжущие повышенной водостойкости // Ташкентский архитектурно-строительный институт. Производство энерго- и ресурсосберегающих строительных материалов и изделий: сборник трудов П-го научно-практического семинара с участием иностранных специалистов, 2013,-С. 160-162.

3. Козлов H.B. К вопросу повышения водостойкости гипса // Тверской государственный технический университет. Инновации и моделирование в строительном материаловедении и образовании: материалы международной заочной научно-технической конференции, 2013, - С. 56-57.

4. Козлов Н.В. Использование промышленных отходов для повышения водостойкости гипса // Строительство — формирование среды жизнедеятельности: сборник трудов Семнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (23-25 апреля 2014 г., Москва), 2014, - С. 969-974.

5. Козлов Н.В., Панченко А.И. Использование техногенных отходов в ГВ // Тульский государственный университет. Сборник материалов XV Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», 2014, - С. 34-35.

6. Козлов Н.В., Панченко А.И., Бурьянов А.Ф. Многокомпонентные гипсовые вяжущие для материалов стеновых ограждающих конструкций // Российская гипсовая ассоциация. Международная конференция «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий», 2014, - С. 115-121.

7. Козлов Н.В., Гальцева H.A., Булдыжова E.H., Бурьянов А.Ф. Гипсовое вяжущее повышенной водостойкости с илистокремнеземистой добавкой // Казанский государственный архитектурно-строительный университет. Сборник тезисов 66-й Всероссийской научной конференции преподавателей, аспирантов, соискателей и студентов по проблемам архитектуры и строительства, 2014, - С. 11.

8. Бурьянов А.Ф., Панченко А.И., Козлов Н.В., Соловьев В.Г., Пашкевич С.А. К вопросу комплексной оценки эффективности применения гипсового вяжущего повышенной водостойкости // Юбилейная международная научно-практическая конференция, посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения) «Наукоемкие технологии и инновации», 2014, — С. 63-68.

Филиал государственного унитарного предприятия Московской области «Мытищинская типография» «Загорская типография» Подписано в печать: 20.07.2015 Формат: 60x84 1/16 Печать: XEROX

Объем: 1,0 п. л. Тираж: 100 экз. Заказ №: б/н

141310, Московская область, город Сергиев Посад, проспект Красной Армии, 212-Б