автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Комплексный битумополистирольный материал

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Московский государственный строительный университет

Восточно-Сибирский государственный технологический университет

На правах рукописи

СИДЕНОВ Сергей Александрович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комплексный битумополистирольный материал (технология и свойства)

05.23.05. - строительные материалы и изделия

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор В.Н. Соков

Улан-Удэ 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ' 6

Елава I. Состояние вопроса 13

1.1. Способ самоуплотняющихся масс 13

1.1.1. Способ самоуплотняющихся масс в технологии легких бетонов, гипсобетонов и легковесных огнеупоров 14

1.1.2. Технологические решения при изготовлении строительных материалов по способу самоуплотняющихся масс 17

1.2. Анализ свойств и способов изготовления битумсодержащих теплоизоляционных материалов 19

1.3. Обзор способов эмульгирования и видов битумных эмульсий 22 Выводы по главе I. 24

Елава II. Еипотеза, задачи исследований и методология их проведения 26

2.1. Научная гипотеза и задачи исследований. 26

2.2. Общая методология проведения исследований. 28

2.2.1. Еребования, предъявляемые к сырью и материалам. 28

2.2.2. Методика постановки и проведения экспериментов 29

2.3. Описание экспериментальных установок и методик проведения исследований. 32

2.3.1. Описание установки и методик изучения электропрогрева. 32

2.3.2. Методика изучения реологических характеристик битумопо-листирольных смесей 3 5

Елава III. Теоретические и практические закономерности самоуплотнения

битумополистирольных систем в электрическом поле 3 8

3.1. Коллоидные свойства битумополистирольных систем. 39

3.1.1. Поверхностные явления на границах раздела фаз битумополи-стирольных систем.

3.1.2. Адсорбция на поверхностях раздела фаз битумополистироль-

ных систем 44

3.1.3. Двойной электрический слой на границах раздела фаз битумо-полистирольных систем и его влияние на механизм самоуплотнения ' 46

3.2. Закономерности структурных изменений битумополистирольных

систем при самоуплотнении 50

3.2.1. Анализ влияния внешнего переменного электрического поля на изменение электрокинетических характеристик битумополистирольных систем 50

3.2.2. Закономерности массопереноса битумополистирольных систем в условиях интенсивного роста давлений и температур 55

3.2.3. Реологические свойства битумополистирольных систем и закономерности формирования структуры материала 61

Выводы по главе III 65

Глава IV. Системный анализ технологии битумополистирольных материалов

и изделий 67

4.1. Основные положения системного анализа 68

4.2. Формирование структурной модели технологии и изучение функционирования её отдельных блоков. 71

4.2.1. Подвспенивание бисерного полистирола 71

4.2.2. Приготовление битумной эмульсии. 74

%

4.2.3. Приготовление формовочной смеси 77

4.2.4. Электропрогрев 81

4.3. Построение алгоритма математической модели технологии 85

4.4. Производственная проверка исследований и практические рекомендации по организации технологического процесса 88

4.5. Частные случаи реализации технологии: получение изделий "сэндвич" и материала для комплексной изоляции трубопроводов 93

4.6. Оценка эффективности производства и применения битумополи-стирольных материалов и изделий 101

Выводы по главе IV 105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 106

ЛИТЕРАТУРА 109 ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Технологический регламент по изготовлению битумополи-

стирольных изделий 119

Приложение 2. Предложения по аппаратурному оформлению технологии 126

Приложение 3. Теплотехнический расчет установки для электропрогрева 130

Приложение 4. Экономический расчет 136

Приложение 5. Имитационное моделирование технологии 143

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - теплоёмкость, кДж/кг °С

Б - диаметр, м

в - масса материала, кг

т- 2

г - площадь, м

Р - давление, н/м (Па)

II - прочностная характеристика, Па

Ыу - электрическое сопротивление, Ом

8ад2 - дисперсия адекватности

82{У} - дисперсия параллельных опытов

И - влагосодержание материала, %

1]у - электрическое напряжение, В

V - объём, м3

\^дж - работа, кДж/кг

W - масса связанной влаги, кг

Х[ - обозначение варьируемого фактора в кодированной форме

X, - среднее значение фактора

X) - натуральное значение фактора

ДХЬ - интервал варьирования фактора

У - результат эксперимента

У - расчетное значение результата эксперимента

с1 - влагосо держание воздуха (теплоносителя), г/кг

1,) - индексы изменяемых величин ( факторов)

1 - длина, м

п - частота вращения рабочего органа, мин

г - теплота парообразования, кДж/кг

I - температура,°С

т - время, ч

у - скорость, м/с

р - плотность, кг/м°

X - теплопроводность, Вт/м°С

ф - влажность воздуха (теплоносителя), %

С,, \|/ - электрический потенциал, В

б - поверхностное натяжение, н/м2

ВВЕДЕНИЕ

Одним из путей увеличения эффективности строительных конструкций, повышения их конкурентоспособности является использование строительных материалов многофункционального назначения. Немаловажную роль при этом должна играть интенсификация технологических процессов.

Существующие способы и приёмы создания эффективных строительных материалов, интенсифицирующие процессы изготовления материалов и улучшающие их свойства (механоактивация компонентов, экструзия, прессование и другие) требуют специального оборудования, которое в последствии усложняет технологию и снижает её надежность.

Технологическая направленность предлагаемого подхода к созданию нового эффективного материала основана на гипотезе комплексного воздействия температуры, давления и электрического тока на формуемые системы.

В технологии предусмотрено использование литых систем, позволяющих обходиться без таких приёмов как вибрация, внешнее давление и т.п.; смеси позволяют использовать формы любой конфигурации. Причем, определяющим при изготовлении масс является не начальное водосодержание, а конечное, так как предлагаемый метод позволяет удалять избыточную влагу на этапе формования.

Для удаления физически связанной влаги при одновременном формировании структуры и свойств материала возможны различные приёмы, в том числе и создание избыточного давления в замкнутых объёмах. Из всего многообразия методов создания избыточного давления нами взято за основу введение в формуемую смесь актив-

ных добавок, которые в процессе тепловой обработки формируют регулируемую пористость и, таким образом, свойства материала.

Целью диссертации является разработка научно обоснованных параметров энергосберегающей технологии битумополистирольных тепло - гидро- и пароизоля-ционных материалов различного функционального назначения средней плотностью 100-300 кг/м" с улучшенными физико-техническими свойствами.

Научная новизна работы. Выдвинута концепция возможности получения битумополистирольных материалов улучшенной структуры по комплексной энергосберегающей технологии.

Согласно этой концепции сформулирована гипотеза о создании плотной структуры битумной матрицы, возникновении прочных адгезионных контактов на поверхности раздела - битум / полистирол и, как следствие, формирование комбинированного пространственного каркаса в результате комплексного воздействия на уплотняемый объём повышенных давлений, температур и электрического поля.

Изучены физико-химические явления, протекающие при самоуплотнении битумополистирольных смесей (БИС) в замкнутом перфорированном объёме. Выявлены закономерности формирования структуры битумной матрицы в изучаемых условиях.

Обоснованы закономерности приготовления битумных эмульсий и влияния эмульгаторов различной физической природы на свойства БИС, обуславливающие их поведение при самоуплотнении.

Дан анализ изменения реологических характеристик как БИС в целом, так и битумной матрицы, в процессе комплексного воздействия температур, давлений и электрического поля.

Осуществлен системный анализ технологии, изучен характер функционирования её блоков, характеризующих отдельные технологические переделы. Построена математическая модель технологии.

Достоверность полученных результатов обеспечена испытанием достаточного количества образцов-близнецов, комплексным характером проведенных исследований с применением математического планирования эксперимента и обработки его результатов, проверкой результатов лабораторных исследований в производственных условиях.

Практическое значение работы. Разработана технология эффективных тепло-гидро- пароизоляционных материалов на основе интенсификации физико-химических процессов.

Разработана методика проектирования состава БПС и выбора основных технологических параметров изготовления битумополистирольных материалов многофункционального назначения. При этом критериями эффективности процесса являются как конечные свойства материала, так и интенсивные факторы, характеризующие данный технологический передел.

Обоснованы закономерности формирования структуры битумополистирольных материалов в условиях одновременного воздействия давления, температуры и электрического поля.

Разработаны предложения по аппаратурному оформлению технологических переделов и организации производства.

Подготовлены нормативные документы, регламентирующие свойства битумополистирольных материалов многофункционального назначения и условия их изготовления.

Выпуск опытной партии изделий показал, что битумополистирольные изделия многофункционального назначения, по своим свойствам превосходят аналоги.

Основные положения диссертационной работы изложены в статьях. Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Восточно-Сибирского государственного технологического университета и на научных сессиях Бурятского Научного Центра СО РАН (Улан-Удэ, 1990-1996 гг.)

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, изложена на _ страницах машинописного текста, включает 20 таблиц, 25 рисунков, список литературы из 102 наименований, приложения.

Автор защищает:

- теоретические предпосылки и результаты экспериментального анализа параметров комплексной энергосберегающей технологии битумополистирольных материалов многофункционального назначения с улучшенной структурой и повышенными физико-техническими свойствами;

- результаты экспериментального изучения влияния состава БПС и параметров одновременного воздействия повышенных температур и давлений в условиях электропрогрева на формирование структуры битумной матрицы;

- обоснование закономерностей возникновения когезионных контактов в битумной матрице и адгезии на поверхности раздела "битум / полистирол", формирования объединенного пространственного каркаса;

- математическую модель технологии, решения оптимизационных задач, методики подбора состава БПС и выбора основных параметров технологии;

- практические рекомендации по организации производства, аппаратурному оформлению технологических переделов, режимов тепловой обработки;

- экономическую оценку эффективности производства битумополистирольных изделий.

Содержание работы. Анализ отечественных и зарубежных источников, проведенный в первой главе свидетельствует о назревшей необходимости создания строительных материалов, сочетающих различные свойства (комплексных материалов). Как правило, технология подобных материалов громоздка, требует сложного оборудования и продолжительна во времени.

Подобных недостатков лишен способ самоуплотняющихся масс, основным преимуществом которого является совмещение технологических операций формования, сушки и оплавления битума в одном переделе. Этот сцособ позволяет формировать плотную структуру матрицы материала за счет одновременного воздействия на уплотняемый объём повышенных давлений и температур. Одновременно осуществляется отжатие из системы излишков формовочной влаги (вводимой при приготовлении смеси из условия её удобоукладываемости). Отжатие влаги через жидкую фазу (в отличии от традиционного испарения) позволяет во много раз снизить расходы на тепловую обработку улучшить структуру матрицы.

Способ самоуплотняющихся масс опробован в технологии теплоизоляционно-конструкционнных материалов на основе минеральных вяжущих, легковесных огнеупоров. Результаты показывают, что применение этого способа позволяет направленно регулировать свойства изготавливаемого материала, значительно снизить энергозатраты и многодельность технологии.

В изученных системах, гранулы подвспененного полистирола, выполнив на стадии формования (совмещенного с тепловой обработкой) функции уплотняющего компонента, становятся либо сферической выгорающей добавкой низкой зольности (в

легковесных огнеупорах), либо легким заполнителем (в материалах на основе минерального вяжущего). Различная физическая природа минеральной матрицы и органического заполнителя не позволяет полностью использовать преимущества подвспе-ненного полистирола, к которым можно отнести высокую замкнутую пористость и прочность при растяжении, низкую теплопроводность, паропроницаемость и водопо-глощение. Существенными недостатками пенополистирола является его слабая сопротивляемость открытому пламени и низкая прочность при сжатии.

Битумное связующее (битум) представляет собой вещества, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их кислотных и сернистых производных. Огнестойкость битума выше чем у полистирола и может быть модифицирована путем введения дисперсных минеральных добавок. В состав молекулы мономеров полистирола входит бензольное кольцо, обладающее значительной подвижностью, и короткая углеродная цепочка, что позволяет предположить возможность собственной поляризации этих молекул. Учитывая изложенное и то, что оба компонента являются веществами единой природы, можно предположить возможность возникновения плотных адгезионных связей между их молекулами, при условии достаточной поляризации агрегатов битума и в частности его мицелл.

По результатам анализа различных литературных источников установлена слабая изученность влияния собственно электрического поля на процессы, протекающие при самоуплотнении. Например, подробно исследованы закономерности влияния повышенных температур на гидратацию минерального вяжущего, изменение интегрально удельного сопротивления в уплотняемом объёме и интегральных тепловыделений. Вне области интереса оставлены такие важнейшие закономерности, как влияние электрического поля на процессы, происходящие на уровне элементарных объё-

мов вещества, в том числе и на поверхностях раздела фаз. Несомненно, эти процессы оказывают немаловажное влияние на формирование макрохарактеристик БПС при самоуплотнении и на формирование свойств битумополистирольных изделий.

Для доказательств достоверности выдвинутых в рабочей гипотезе положений и достижения поставленных целей и разработке принципов технологии битумополистирольных изделий, предполагалось решение следующих частных задач:

изучить физико-химическую сущность процессов, протекающих в битумной матрице при одновременном воздействии повышенных давлений и температур в условиях переменного электрического поля, в том числе и на поверхностях раздела фаз, изучить реологические характеристики битумного вяжущего; провести системное исследование технологии, с целью выявления особенностей функционирования отдельных блоков, связей между ними и технологии в целом; на основе структурного анализа построить математическую модель технологии, разработать методику подбора состава БПС, прогнозирования свойств битумополистирольных изделий и выбора технологических параметров, решить задачи оптимизации основных технологических переделов;

по результатам системного анализа и выпуска опытной партии разработать технологическую схему производства битумополистирольных материалов многофункционального назначения, исследовать их физико-технические свойства; выполнить технико-экономическое обоснование технологии.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Совершенствование изготовления изоляционных материалов может быть организовано по следующим направлениям: по пути модификации режимов и оборудования, обслуживающих традиционные технологии и по пути создания новых технологий, использующих традиционную сырьевую базу или вновь синтезированные соединения. Наибольший эффект достижим при совмещении нескольких операций (традиционно раздельных) в одном технологическом переделе. Это позволяет (в том числе) в значительной степени сократить длительность цикла изготовления и, как правило, снизить энергозатраты.

1.1. СПОСОБ САМОУПЛОТНЯЮЩИХСЯ МАСС.

Создание строительных материалов с улучшенными свойствами, по сравнению с традиционными, воз