автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Материалы автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора на основе магматических пород кислого состава

На правах рукописи

ПОДГОРНЫЙ ИЛЬЯ ИГОРЕВИЧ

МАТЕРИАЛЫ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТ^РИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА НА ОСНОВЕ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД КИСЛОГО СОСТАВА

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ 1 з т ^^

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5102 ш е I

Белгород 2015

005568660

005568660

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

Научный руководитель - Нелюбова Виктория Викторовна

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты - Овчаренко Геннадий Иванович

доктор технических наук, профессор Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, зав. кафедрой строительных материалов (г. Барнаул)

- Закревская Любовь Владимировна кандидат технических наук, доцент Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,

доцент кафедры «Строительное производство» (г. Владимир)

Ведущая организация - Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

Защита состоится «26» июня 2015 года в 14^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242. Телефон для справок 8(4722) 55-95-78

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте

http://gos att.bstu.ru/dis.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail: gos-att-bgtu@mail.ru.

Автореферат разослан «27» апреля 2015 г.

Ученый секретарь ___________

~ Г.А. Смоляго

диссертационного совета - ----------------- . ч;

Актуальность. Ежегодно растущие темпы строительства на территории Российской Федерации требуют увеличения объемов выпуска строительных материалов различного назначения. Автоклавные композиты прочно обосновались на строительном рынке, зарекомендовав себя как долговечные и эффективные материалы. Тем не менее, перед производителями ставятся задачи повышения эффективности выпускаемых изделий и сокращения себестоимости их производства, одним из путей решения которых является применение модифицирующих компонентов, влияющих на структурообразование вяжущих.

Многочисленными исследованиями российских и зарубежных ученых доказана эффективность использования добавок нанодисперсного уровня для улучшения технико-эксплуатационных свойств готовых изделий независимо от их состава и способа твердения. В связи с этим представляется перспективным применение наноструктурированных модификаторов (НМ) различного состава для повышения конкурентоспособности изделий автоклавного твердения.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного задания; Российского фонда фундаментальных исследований, договор 14-43-08020/14, а также в рамках реализации программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

Цель и задачи работы. Повышение эффективности производства материалов автоклавного твердения за счет использования наноструктурированного модификатора, получаемого на основе магматических пород кислого состава.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— обоснование возможности использования интрузивных пород алюмоси-ликатного состава для получения наноструктурированного модификатора материалов автоклавного твердения;

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

— анализ особенностей фазообразования материалов автоклавного твердения в присутствии наноструктурированного модификатора алюмосиликатного состава;

— разработка составов и изучение свойств материалов автоклавного твердения с наноструктурированным модификатором, полученным на основе гранита;

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

Научная новизна работы. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования магматических пород кислого состава для получения наноструктурированного модификатора процессов синтеза и структурообразования материалов автоклавного твердения. Активность модификатора обусловлена его составом и технологией получения: высокой

удельной поверхностью с формированием нанодисперсной компоненты полиминерального состава; амортизацией поверхности породообразующих минералов; процессами механохимического растворения кварцевого и полевошпатового компонентов с формированием активной кремниевой и алюмокремни-евой кислот.

Установлен характер влияния наноструктурированного модификатора на вспучивание бетонной смеси и структурообразование материалов в доавто-клавный период. Замена цемента на высокоактивный тонкодисперсный поли-морфоструктурный кремнеземсодержащий алюмосиликатный компонент приводит к оптимизации гранулометрического состава сырьевой смеси и снижению ее плотности. За счет формирования первичных новообразований в результате взаимодействия извести с НМ образуется прочная коагуляционная структура композита, что обуславливает увеличение начальной и конечной вязкости. Это приводит к интенсификации вспучивания массива (минимальной потере газа), приросту объема готовой смеси, снижению плотности композита, и, как следствие, сокращению времени выдержки массива до автокла-вирования.

Предложен механизм фазо- и структурообразования в системе «известь -наноструктурированный модификатор алюмосиликатного состава на основе гранита», протекающий в гидротермальных условиях, заключающийся в формировании полиминеральной разветвленной сетки кристаллических и рентге-ноаморфных новообразований различной морфоструктуры. Содержащийся в составе модификатора активный кремнезем способствует формированию низкоосновных гидросиликатов кальция (тоберморита и фошагита) - основных носителей прочностных свойств материалов автоклавного твердения. Наличие алюмосиликатной составляющей в модификаторе приводит к образованию цеолитовой фазы - вайракита, отвечающей за долговечность изделий в процессе их эксплуатации, а также гидрогранатов.

Практическая значимость работы. Предложены составы материалов автоклавного твердения с использованием НМ, получаемого на основе гранита, позволяющие производить:

- прессованные изделия (силикатный кирпич) плотностью - 1835— 1950 кг/м3; пределом прочности при сжатии - 17,8-233 МПа; теплопроводностью - 0,56-0,6 Вт/(мх°С), морозостойкостью - 40-55 циклов, водопоглоще-нием 11,4-12,2 %;

- ячеистые изделия (газобетон конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения) плотностью - 415-522 кг/м3; пределом прочности при сжатии - 3,8-5,12 МПа; паропроницаемостью - 0,2070,265 мг/(мхЧхПа); теплопроводностью - 0,084-0,118 Вт/(мх°С). Разработанные изделия удовлетворяют требованиям существующих нормативных документов: для ячеистых - марки по плотности 0400-0500, классы по прочности В2,5—В5, марки по морозостойкости Р50-П00; для прессованных - марки по прочности М150-М200, по морозостойкости Р35-Р50.

Предложены технологии производства силикатного кирпича и газобетона автоклавного твердения с учетом получения и использования наноструктури-рованного модификатора.

Внедрение результатов исследований. Полупромышленная апробация разработанных составов и технологии производилась на базе опытно-промышленного цеха Наноструктурированных композиционных материалов БГТУ им. В.Г. Шухова, автоклавирование газобетонных изделий производилось на ЗАО «Аэробел». Апробация в промышленных условиях осуществлялась на ООО «Стройкомпозит» (Якутия), в результате чего подписан протокол о намерениях о внедрении результатов исследований и организации производства в рамках предприятия согласно предложенным технологическим регламентам и рекомендациям.

Для внедрения результатов работы разработаны следующие технические документы:

- рекомендации по применению наноструктурированного модификатора из гранита при производстве изделий автоклавного твердения;

- стандарты организации СТО 02066339-020-2014 «Силикатный кирпич с наноструктурированным модификатором из гранита. Технические условия» и СТО 02066339-019-2014 «Газобетон автоклавного твердения с наноструктурированным модификатором из гранита. Технические условия»;

- технологические регламенты на производство силикатного кирпича и газобетона автоклавного твердения с наноструктурированным модификатором из гранита.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 - «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Наносистемы и трансфер технологий», магистров по направлению 08.04.01 - «Строительство» профиля подготовки «Наносистемы в строительном материаловедении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: Всероссийских научно-практических конференциях: лРе-сурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012, 2013); «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Якутск, 2014); Международных научно-практических (научно-теоретических) конференциях: «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (Улан-Удэ, 2012); «Будущее технической науки» (XII, молодежная, Нижний Новгород, 2013); «Актуальные вопросы образования, науки и техники» (Донецк, 2013); «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, 2015); «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2015).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 13 научных публикациях, в том числе в трех статьях в российских рецензируемых научных журналах, в одной статье в журнале, индексирующемся в базе Web of science. На состаи и технологию газобетона автоклавного твердения получено свидетельство о регистрации ноу-хау №20130030.

Структура диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, включающего 32 таблицы, 43 рисунка и фотографии, список литературы из 155 наименований, ¡2 приложений.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования полиминеральных интрузивных пород алюмосили-катного состава для получения высокоактивного минерального модификатора материалов автоклавного твердения;

- характер влияния наноструктурированного модификатора на структуро-образование материалов в доавтоклавный период;

- механизм фазо- и структурообразования в системе «известь - нанострук-турированный модификатор алюмосиликатного состава на основе гранита»;

- принципы получения, оптимальные составы и технологии производства материалов автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора из гранита. Результаты апробации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На протяжении десятков лет силикатные автоклавные материалы удерживают за собой звание одного из самых актуальных и универсальных строительных материалов. Причинами такой популярности этих изделий является богатая сырьевая база основных компонентов, а также оптимальные технико-эксплуатационные характеристики. Тем не менее, современные условия и повышенный уровень конкуренции на рынке строительных материалов стимулирует предприятия совершенствовать характеристики выпускаемых изделий, оставаясь в конкурентоспособном ценовом диапазоне.

Одним из методов повышения эффективности автоклавных материалов является использование высокоактивных добавок различного происхождения и состава, в том числе нанодисперсного уровня, способных выступать в качестве структурообразующего компонента как в доавтоклавный период, так и в условиях гидротермального твердения. К числу таких добавок относится нано-структурированный модификатор (НМ), получаемый по технологии длительной механоактивации исходных компонентов в водной среде. Ранее выполненными работами была доказана эффективность использования модификатора силикатного состава, полученного на основе кварцевого песка.

Рабочей гипотезой исследований являлась возможность управления процессами структурообразования материалов автоклавного твердения за счет использования наноструктурированного модификатора алюмосиликатного состава, полученного на основе полнокристаллических пород магматического генезиса.

На основании анализа магматических пород кислого состава с точки зрения возможности их использования в качестве сырья для получения наноструктурированного модификатора, по показателям минерального состава и распространенности на территории РФ, теоретически обоснована эффективность применения кварц-плагиоклазовых интрузивных пород - гранита.

В качестве сырьевых компонентов в работе использовались известь негашеная комовая, песок Корочанского месторождения, цемент производства ЗАО «Белгородский цемент», гипс ОАО «Гипсобетон», алюминиевая паста STAPA Alupor производства ООО «Eckart» (Германия), вода. Для получения наноструктурированного модификатора в работе использован отсев гранита Павловского месторождения. Все исследования проводились с использованием приборной аналитической базы Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.

Для оценки степени эффективности алюмосиликатных магматических пород кислого состава как сырья для производства наноструктурированного модификатора был проделан комплексный эксперимент по выявлению влияния способа получения кремнеземсодержаших компонентов на их активность в составе формовочной смеси. Для проведения сравнительной оценки помимо гранита использовался кварцевый песок (компонент силикатного состава). Исследуемые образцы измельчались тремя различными способами: 1 - сухой одностадийный помол в шаровой мельнице (компонент известково-песчаного вяжущего (ИПВ)) до 5^=300-350 м2/кг; II - мокрый одностадийный помол в шаровой мельнице (шлам) до 5ld=300-350 м2/кг; III - мокрый постадийный помол (в случае песка) или мокрый одностадийный помол (в случае гранита) с получением наноструктурированного модификатора (НМ) до показателей: остаток на сите 0063 - менее 1 %, концентрация твердой фазы - не менее 70 %.

Активность, как интегральную характеристику механоактивированных различным способом компонентов, оценивали по удельной поверхности и гранулометрии образцов, количеству аморфной фазы и активных центров, а также сорбционной способности (табл. I).

Анализ удельной поверхности свидетельствует о том, что максимальной дисперсностью обладают образцы, полученные мокрым длительным помолом, т.е. наноструктурированные модификаторы различного состава. Удельная поверхность модификаторов в два раза превышает аналогичные значения для материалов, измельченных мокрым и сухим способом. По величине удельной поверхности силикатный НМ превосходит алюмосиликатный на 10 %, что связано с технологией его получения. При одностадийном способе получения мо-

дификатора на основе гранита стоит отметить полидисперсный характер распределения частиц НМ с формированием «плато» в области размеров частиц 1-5 мкм и наличием ультрадисперсной фракции с размерами менее 0,1 мкм. Обозначенные факты обусловлены полиминеральным составом гранита и различиями в твердости породообразующих минералов. Это приводит к тому, что в процессе получения НМ на первоначальном этапе происходит диспергация слюдистых минералов, которые выступают впоследствии в качестве «смазки» между частицами более твердых составляющих гранита (кварца и полевых шпатов), снижая, тем самым, интенсивность их помола и сокращая дисперсность модификатора по сравнению с силикатным НМ.

Свойства кремнеземистых ком понентов

Таблица I

Способ получения Удельная поверхность, м2/кг ; Количество поглощенного СаО по методу Запорожца, мг/г Количество : активных бренстедовских кислотных центров, мг-экв/г - Расчетное содержание рентгено-аморфной фазы, %

По данным ПСХ По данным Sorbí

КГ)1 320 3 900 0,74 17,2 23,36

П(Г) 300 3 800 0,41 12 0

Ш(Г) 620 8 200 0,90 32,4 9,94

КП) 340 4 200 0,73 21,8 20

1КГО 340 4 000 0,53 13,5 2

Ш(П) 830 9 100 0,81 30,6 8

Наноструктурированный модификатор из гранита по сравнению с НМ из песка характеризуется повышенной активностью по отношению к гидроксиду кальция (на 10 %), что объясняется большим количеством активных кислотных центров. Кроме того, отмечается увеличение содержания аморфной фазы в гранитном НМ по сравнению с модификатором на основе песка, что связано с большей аморфизацией слагающих гранит компонентов в связи с их меньшей твердостью (полевые шпаты, роговая обманка). Характер изменения минерального состава кристаллических компонентов в продуктах помола гранита (рис. 1) в зависимости от способа измельчения, выполненный методом полнопрофильного рентгенофазового анализа, подтверждает полученные данные. Результаты исследований позволяют прогнозировать высокую активность наноструктурированного модификатора алюмосиликатного состава, получаемого на основе полнокристаллических пород, в системе СаО-ЗЮг-НгО в условиях автоклавной обработки.

Стоит отметить, что несмотря на разницу в составе материалов, увеличение активности в ряду «мокрый помол —* сухой помол —» мокрый помол с получе-

11, II, Ш - способы помола сырьевых компонентов; Г — гранит; П - песок

нием НМ» сохраняется. Минимальная активность в случае компонентов, полученных одностадийным мокрым помолом объясняется наличием жидкой фазы, выполняющей двоякую функцию. С одной стороны, она выступает интенси-фикатором помола

за счет действия расклинивающего эффекта, с другой - капсулирует твердые частицы, что практически препятствует формированию как аморфизацион-ного слоя, так и свободных связей на поверхности, обуславливающих наличие активных центров.

Таким образом, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования магматических пород кислого состава для изготовления наноструктурированного модификатора. Активность НМ обусловлена его составом и технологией получения: высокой удельной поверхностью с формированием нанодисперсной компоненты полиминерального состава; аморфизацией поверхности породообразующих минералов; процессами механохимического растворения кварцевого и полевошпатового компонентов с формированием активной кремниевой и алюмокремниевой кислот.

Для изучения процессов минералообразования в автоклавных известково-алюмосиликатных вяжущих на основе магматических пород кислого состава в работе использовались модельные системы «известь - НМ на основе гранита» с соотношениями 1/1; 1/1,5; 1/2; 1/2,5 и 1/3. Исключение кварцевой составляющей в виде заполнителя было обусловлено необходимостью идентификации кристаллических фаз, сформированных в результате взаимодействия алюмосиликатного компонента и гидроксида кальция.

Взаимодействие силикатных и алюмосиликатных компонентов гранитного НМ с известью приводит к формированию следующих кристаллических фаз (рис. 2) в системах: СаО-БЮг-НгО - гидросиликаты кальция - 11 А-тобермо-рит и фошагит; СаО-АЬОз-БЮз-НгО - цеолитовая фаза - вайракит; СаО АЬОз-НгО - гидрогранат - катоит. При этом представители каждой из групп выполняют отдельную функцию. Основными носителями прочностных свойств в затвердевшем известково-гранитном вяжущем являются С-Б—Н-новообразования - ленточный 11 А-тоберморит и цепочечный фошагит. Высококальциевый цеолит, формирующийся в процессе твердения разработанных

I 20 в

I Е I т шЯ

Кварц Альбит Биотит Роговая

обманка

■ Сухой помол ■ Мокрый помол Мокрый помол с получением НМ Рис. 1. Количественный состав кристаллических компонентов в продуктах помола гранита в зависимости от способа получения

материалов, является представителем каркасных гидроалюмосиликатов кальция - наиболее устойчивых кристаллических образований. Такие новообразования практически не подвержены карбонизации. Следовательно, формирование по ним различных псевдоморфоз, а также новообразований с изменением занимаемого объема, приводящих к разрушению структуры изделий в процессе эксплуатации, практически полностью исключается. Кроме того, цеоли-товые фазы относятся к группе водостойких минералов. Роль гидрогранатов в формировании физико-механических свойств в указанной системе установить не представляется возможным в связи с противоречивостью существующих мнений о механизме их влияния на конечные свойства изделий.

aso 220

^ 160

'!' 130

I 100

70 40 10

0 10 20 30 40 50 60 70 80

2 Щ«)

Рис. 2. Рентгенограммы образцов различного состава: 1 - НМ на основе гранита;

2 - «известь / НМ» = 1/1; 3- 1/1,5; 4- 1/2; 5- 1/2,5; 6- 1/3

На основании установленных особенностей процессов, протекающих при автоклавировании, в системе «известь - наноструктурированный модификатор апюмосиликатного состава», предложен механизм фазо- и структурообра-зования в присутствии НМ на основе гранита, заключающийся в формировании полиминеральной системы с разветвленной сеткой кристаллических и рентгеноаморфных новообразований различной морфоструктуры.

Следующим этапом исследований являлось изучение влияния НМ на процессы доавтоклавного структурообразования ячеистобетонной смеси, путем оценки: реологии формовочной смеси при нормальной температуре и температуре созревания массивов, кинетики газовыделения ячеистобетонной смеси, а также физико-механические свойства газобетона автоклавного твердения. Модификатор вводился взамен цемента как основного структурообразующего и самого дорогостоящего компонента в количестве 0-50 % с шагом 10 % и 100 % (полное исключение цемента из составов газобетонной смеси).

Введение НМ независимо от температуры съемки приводит к увеличению

те

Kajr i

'ti

(К) - кварц (Afc) - Са-альбит

(B) - биотит

(Р) - портлапдит

(C) - кальцит (А) - арагонит

(V) - еэтерит (Т) -11А тоберморит (F)- фошагит (W) вайракит (Ка) - като«т (Ко) - корунд

JÍ*.

V

Ко

f о

•--Vv^-f^-V-v-l-^;

wMjk

i .» 'i---Й^Гт-^4-4-^

wu^vUww^

1,6

1,4

1.2

и

(С

с 1.0

£

и

о 0,8

Й

ш

0,6

0,4

0,2

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Градиент скорости сдвига, с-1

Рис. 3. Вязкость смесей в зависимости от состава

при нормальной температуре (Н) и температуре созревания массивов (40±2 °С) (Т)

начальной вязкости системы (рис. 3). При этом конечная вязкость системы для всех составов с содержанием модификатора в диапазоне 10-50 % практически совпадает со значениями аналогичного показателя для контрольного состава. Образцы с полным исключением цемента из состава отличаются существенно более высокой начальной и конечной вязкостью системы: в 1,8 раз и в 1,2 раза соответственно по сравнению с контрольным составом. Увеличение температуры съемки рео-грамм не влияет на общее поведение системы. Однако прирост вязкости для образцов с полным исключением цемента составляет 1,5 раза по сравнению с образцами без цемента при нормальной температуре и в 3 раза по сравнению с контрольными материалами независимо от температуры съемки.

В общем случае повышение вязкости систем независимо от состава и температуры съемки связано с увеличением содержания тонкодисперсной фракции в составе модификатора, что приводит к формированию плотноупакован-ной системы, состоящей из более крупных частиц кремнеземного заполнителя (шлама), между которыми располагаются дисперсные частицы остальных сырьевых компонентов (известь, НМ). В результате образуется прочная коагуля-ционная структура композита, что обуславливает некоторое увеличение вязкости. Увеличение температуры системы приводит к интенсификации указанных процессов и формированию условий для первичного взаимодействия гид-роксида кальция с НМ. Таким образом, введение модификатора способствует оптимизации и ускорению процессов структурообразования материалов в до-автоклавный период.

При введении в ячеистобетонную смесь НМ происходит интенсификация процессов вспучивания массивов газобетона (рис. 4). Составы с содержанием модификатора более 20 % характеризуются сниженным временем газовыделения (на 15-30 мин) по сравнению с контрольным.

Полное исключение цемента из составов приводит к сокращению времени подъема массивов в два раза - с 30 до 15 минут. При этом образцы характеризуются максимальным объемом выделившегося газа и прироста объема готовой смеси. Объяснением указанных фактов является: снижение плотности яче-

240

220

200

истобетонной смеси за счет замены цемента на НМ, появление в смеси высокодисперсного компонента (коим является НМ), а также оптимизация реологических свойств формовочной массы. Введение модификатора способствует некоторому увеличению вязкости (загущению) системы. Это приводит к формированию условий, при которых в смеси остается большее количество газа по сравнению с заводскими составами, и, как следствие, прирост объема смеси увеличивается.

15 20 Время, мин

Рис. 4. Кинетика вспучивания ячеистобетонной смеси в зависимости от состава

5,4

го

I5'2]

| 5,0 -¡4,8 о. 4,6

I 4'4 ^ I 4'2

= 4,0 -

I3'8

<= 3,6

Плотность Прочность

550

500

450

400

- 350

-1 300

100

Использование наноструктурирован-ного модификатора взамен цемента при получении газобетона автоклавного твердения способствует снижению плотности и увеличению прочности готовых изделий (рис. 5). Снижение плотности материалов обусловлено изменением реологических характеристик ячеистобетонной смеси, а также интенсификацией процессов вспучивания в присут-

10 20 30 40 50 Содержание модификатора Рис. 5. Физико-механические свойства ячеистых материалов в зависимости от содержания модификатора

ствии наноструктурированного модификатора. Это приводит к формированию оптимальной пористой структуры, что и сказывается на плотности изделий. Рациональным с точки зрения физико-механических характеристик готовых изделий является 10 %-е содержание НМ в системе. В данном случае плотность изделий практически не изменяется (марка по плотности остается прежней). При этом класс по прочности повышается до В5, что превышает образцы контрольного состава на 25 %. Полное исключение цемента из состава ячеи-

стобетонной смеси и замена его на наноструктурированный модификатор позволяет получать теплоизоляционные ячеистые изделия с маркой по плотности 1)400 и классом по прочности В2,5 (что соответствует конструкционно-теплоизоляционным).

Для изучения влияния НМ на технико-эксплуатационные свойства прессованных изделий автоклавного твердения модификатор вводили взамен части заполнителя - от 0 до 20 % с шагом 5 %. Установлено, что использование НМ приводит к постепенному росту плотности изделий (рис. 6). Это связано с особенностями гранулометрии полиминерального модификатора. Компоненты, входящие в состав исходной породы, имеют разную твердость и, как следствие, разную размолоспособность. Это приводит к формированию полидисперсного материала с широким диапазоном размеров частиц - от ультра-(нано-) до микродисперсных (<63 мкм). Микродисперсные частицы минерального модификатора выступают в роли наполнителя и заполняют пространство между более крупными частицами формовочной смеси, что и способствует уплотнению изделий.

Увеличение содержания НМ в системе приводит к увеличению прочности на сжатие (рис. 5). Максимальная прочность наблюдается при 15 %-м содержании минеральной добавки. Ее прирост более, чем на 50 % обеспечивает марку по прочности силикатного кирпича М200. Отмечено, что введение НМ обеспечивает повышение морозостойкости с 35 до 55 циклов. Методом

2000

о с с:

- 1950

- 1900

- 1850

- 1800

■ 1750

1700

0 5 10 15 20 Содержание модификатора

Рис. 6. Физико-механические свойства прессованных материалов в зависимости от состава

адсорбции газа установлено перераспределение пор в диапазоне ультрадисперсных в сторону нанопор, что происходит при общем сохранении микропористости. Об этом свидетельствует незначительное снижение водопоглоще-ния - с 12,4 до 11,7 %. Несмотря на уплотнение структуры, адгезионная способность кладочного раствора к материалу не изменяется.

Таким образом, предложены составы материалов автоклавного твердения плотной и ячеистой структур с использованием наноструктурированного модификатора, получаемого на основе полнокристаллических магматических по-

род кислого состава (гранита). Для прессованных материалов (на примере силикатного кирпича) разработаны составы изделий плотностью - 18351950 кг/м3; пределом прочности при сжатии - 17,8-23,3 МПа; теплопроводностью - 0,56-0,6 Вт/(мх°С), морозостойкостью — 40-55 циклов, водопоглоще-нием 11,4-12,2 % (табл. 2).

Таблица 2

Составы и свойства силикатного кирпича автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора _ на основе гранита_

Состав смеси, % Свойства изделий

№ п/п Песок НМ Известь Плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Класс по прочности Теплопроводность, Вт/(мх°С) Водопоглощение, % Морозостойкость, циклы Марка по морозостойкости

1 90 - 1810 15,4 М150 0,56 12,4 35 Р35

2 85 5 1835 17,8 М175 0,56 12,2 40 Р35

3 80 10 10 1885 22,5 М200 0,58 11,9 50 Р50

4 75 15 1910 23,8 М200 0,59 11,7 55 Р50

5 70 20 1950 23,3 М200 0,6 11,4 50 Р50

Для материалов с ячеистой структурой (газобетон конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения) получены изделия с плотностью - 415-522 кг/м3; пределом прочности при сжатии - 3,8-5,12 МПа; па-ропроницаемостью - 0,207-0,265 мг/(мхчхПа); теплопроводностью - 0,0840,118 Вт/(мх°С) (табл. 3).

Разработанные изделия удовлетворяют требованиям существующих нормативных документов:

- для ячеистых - марки по плотности В400-Б500, классы по прочности В2,5-В5, марки по морозостойкости Р50-Р100;

— для прессованных - марки по прочности М150-М200, по морозостойкости Р35-Р50.

Преимуществом применения, разработанного НМ, является то, что технологический передел, связанный с приготовлением и введением в формовочную смесь модификатора, не вносит существенных изменений в существующую классическую технологию производства автоклавных изделий.

-о CTs 4- to - = ¡г>

(О Известь

1 12,5 'Jl 17,5 (О о K> Ю bi N> C/i Цемент о о

M Ut ю 1Л о Л 1 Наноструктурированныи модификатор о M со » о V

Cv (О ю Песок п> о s Ï?

р Ui р Гипс

р р Алюминиевая паста

р Хл L/i р 1л a: о В/Т

1Л я —4 О 1Л О Ln 1Л s> лл to ь> L/i UJ О Плотность, кг/м3

О -ь. о о g о H р а J-1л о | D450 | D5ÔÔ1 | D50ÔI | D500 О ISi о о К о a: г о > Марка по плотности •

yj 00 s « о а о оо л. [4,58 00 4^ V» К* 1 4,16 ? о e Предел прочности при сжатии, МПа

СО (О g СО К> lyi В3,5 | В3,5 Ю 1л со w LtJ 1л p S « s Класс по прочности

о о оо 4- р о VO оо | 0,102 0,112 р 10,118 | 0,119 г г о- Теплопроводность, Вт/(мх°С) О оз-о_

р О 4D О* I 0,108 I 0,108 1 1 0,12 I р M p KJ о ю Теплопроводность по ГОСТ 31359-2007, Вт/(мх°С> H 03 !» s ы ta

О к> О ил р N> ЧО 0,235 10,2131 1 0,211 1 p> M о -о p Ni О 4- Паропроницаемость. мг/(м*ч><Па) il

р к) и> iz'o 1 1 0,21 о К) р о ы O to Паропроницаемость по ГОСТ 31359-2007, мг/(м*ч><Па).

ю о IV. 1Л а\ о о о (л oo о Морозостойкость, циклы

и Т) 1Л о IF50 J F75 •n -J Ul | F100 | _F75 Марка по морозостойкости

о

а /-)

= о

я н

О 63

2 я

я s

а я

® Я

о Я

ч о

•О

"С »

•а "

S §«

S 3

M

о »

s ?

11 -9- в»

H

О О

тз ч » си -я п

5 5

о о о X

■о »

X s ч

в

pi

« а

S J

Для внедрения результатов исследования был разработан ряд нормативных документов: рекомендации по использованию добавки, технологические регламенты на производство изделий автоклавного твердения и стандарты организации, отражающие технические характеристики готовых изделий. Внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс осуществляется при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство».

Производство автоклавных материалов, а также апробация разработанных составов проводились как на базе опытно-промышленного цеха Нанострукту-рированных композиционных материалов БГТУ им. В.Г. Шухова, так и в условиях реальных производств: автоклавирование на промышленной базе ЗАО «Аэробел», выпуск опытной партии на базе ООО «Стройкомпозит». Подписан протокол о намерениях с ООО «Стройкомпозит» о внедрении результатов исследований и организации производства в рамках предприятия согласно предложенным технологическим регламентам и рекомендациям.

Экономическая эффективность производства и применения исследуемых в рамках диссертационной работы материалов автоклавного твердения обеспечивается за счет использования для получения наноструктурированного алюмосиликатного модификатора недорого, недефицитного сырья, экономии цемента, повышения технико-эксплуатационных показателей изделий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены принципы получения изделий автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора из магматических пород кислого состава как плотной, так и ячеистой структуры, заключающиеся в оптимизации процессов доавтоклавного структурообразования, а также интенсификации фазообразования в гидротермальных условиях. Наноструктури-рованный модификатор интенсифицирует вспучивание ячеистобетонных смесей, что приводит к сокращению времени созревания массивов, улучшению порового пространства и, как следствие, снижению плотности готовых изделий. Присутствие модификатора в составах формовочных смесей прессованных изделий обеспечивает уплотнение их структуры. Наличие высокоактивного алюмосиликатного компонента НМ независимо от вида изделия обеспечивает формирование рационального состава новообразований цементирующего вещества, что позволяет получать материалы с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования магматических пород кислого состава для получения наноструктурированного модификатора процессов синтеза и структурообразования материалов автоклавного твердения. Активность модификатора обусловлена его составом и технологией получения: высокой удельной поверхностью с формированием нанодисперсной компоненты полиминерального состава; аморфизацией поверхности породообразующих минералов; процессами

механохимического растворения кварцевого и полевошпатового компонентов с формированием активной кремниевой и алюмокремниевой кислот.

3. Установлен характер влияния наноструктурированного модификатора на вспучивание бетонной смеси и структурообразование материалов в доавто-клавный период. Замена цемента на высокоактивный тонкодисперсный поли-морфоструктурный кремнеземсодержащий алюмосиликатный компонент приводит к оптимизации гранулометрического состава сырьевой смеси и снижению ее плотности. За счет формирования первичных новообразований в результате взаимодействия извести с НМ образуется прочная коагуляционная структура композита, что обуславливает увеличение начальной и конечной вязкости. Это приводит к интенсификации вспучивания массива (минимальной потере газа), приросту объема готовой смеси, снижению плотности композита, и, как следствие, сокращению времени выдержки массива до автокла-вирования.

4. Предложен механизм фазо- и структурообразования в системе «известь - наноструктурированный модификатор алюмосиликатного состава на основе гранита», протекающий в гидротермальных условиях, заключающийся в формировании полиминеральной разветвленной сетки кристаллических и рентге-ноаморфных новообразований различной морфоструктуры. Содержащийся в составе модификатора активный кремнезем способствует формированию низкоосновных гидросиликатов кальция (тоберморита и фошагита) - основных носителей прочностных свойств материалов автоклавного твердения. Наличие алюмосиликатной составляющей в модификаторе приводит к образованию цеолитовой фазы - вайракита, отвечающей за долговечность изделий в процессе их эксплуатации, а также гидрогранатов.

5. Показаны особенности макро- и микроструктуры изделий плотной и ячеистой структуры, обусловленные присутствием в системе наноструктурированного модификатора алюмосиликатного состава, полученного на основе гранита. Введение модификатора способствует уплотнению структуры прессованных изделий и оптимизации порового пространства ячеистых композитов. При этом фазово- и морфоструктурные особенности образцов подтверждают данные о процессах фазообразования в указанной системе в присутствии высокоактивного алюмосиликатного компонента и объясняют качественное улучшение физико-механических свойств материалов с его использованием.

6. Предложены составы материалов автоклавного твердения с использованием НМ, получаемого на основе гранита, позволяющие производить:

- прессованные изделия (силикатный кирпич) плотностью - 1835— 1950 кг/м3; пределом прочности при сжатии - 17,8-23,3 МПа; теплопроводностью - 0,56-0,6 Вт/(мх°С), морозостойкостью - 40-55 циклов, водопоглоще-нием 11,4-12,2 %;

-ячеистые изделия (газобетон конструкционно-теплоизоляционного и теп-

лоизоляционного назначения) плотностью - 415-522 кг/м3; пределом прочности при сжатии - 3,8-5,12 МПа; паропроницаемостью - 0,2070,265 мг/(м*чхПа); теплопроводностью - 0,084-0,118 Вт/(мх°С). Разработанные изделия удовлетворяют требованиям существующих нормативных документов: для ячеистых - марки по плотности D400-D500, классы по прочности В2.5-В5, марки по морозостойкости F50-F100; для прессованных - марки по прочности М150-М200, по морозостойкости F35-F50.

7. Предложены технологии производства силикатного кирпича и газобетона автоклавного твердения с учетом использования наноструктурирован-ного модификатора. Для внедрения результатов исследования был разработан ряд нормативных документов, в том числе рекомендации по использованию добавки, технологические регламенты на производство изделий автоклавного твердения и стандарты организации, отражающие технические характеристики готовых изделий. Внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс осуществляется при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий для бакалавров и магистров по направлению «Строительство».

8. Производство автоклавных материалов, а также апробация разработанных составов производились как на базе опытно-промышленного участка БГТУ им. В .Г. Шухова - Опытно-промышленного цеха Наноструктурирован-ных композиционных материалов, так и в условиях реальных производств — автоклавирование на промышленной базе ЗАО «Аэробел», выпуск опытной партии на базе ООО «Стройкомпозит». Экономическая эффективность производства и применения исследуемых в рамках диссертационной работы материалов автоклавного твердения обеспечивается за счет использования недорого, недифицитного сырья, в том числе для получения наноструктурирован-ного алюмосиликатного модификатора, экономии дорогостоящего вяжущего

— цемента, повышения технико-эксплуатационных показателей изделий.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В российских рецензируемых научных журналах

1. Нелюбова, В.В. Реотехнсшогические свойства ячеистобетонной смеси с использованием наноструктурированного модификатора / В.В. Нелюбова, Н.И. Алтынник, В.В. Строкова, И.И. Подгорный // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2014. -№ 2. - С. 58-61.

2. Нелюбова, В.В. Особенности наноструктурированного вяжущего в зависимости от генезиса сырья / В.В. Нелюбова, В.А. Кобзев, М.Н. Сивальнева, ИЛ. Подгорный, Ю.В. Пальшина // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2015.

— №2. — С. 15-18.

3. Нелюбова, В.В. Механоактивация как способ управления процессами структурообразования автоклавных материалов на различных уровнях организации / В.В. Нелюбова, В.В. Строкова, И.И. Подгорный, Е.Г. Осадчий, H.A. Шаповалов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2015. - № 3. - С. 7-9.

В изданиях, индексирующихся в базе Web of Science

4. Nelubova V. V. Influence of softener on reotechnologycal properties of the nanostructured modifier / V.V. Nelubova, V.V. Strokova, N.I. Altynnik, I.I. Pod-gorniy // Advanced materials research. - 2014. - Vols. 941-944. - Pp. 454-457. http://doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.941 -944.454

В сборниках трудов конференций

5. Нелюбова, В.В. Анализ свойств силикатных ячеистых материалов с использованием наноструктурированного модификатора на основе кремнезем-содержащего сырья / В.В. Нелюбова, И.И. Подгорный, Н.И. Алтынник, Е.В. Фомина // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: материалы междунар. науч.-практ. конф., Улан-Удэ, 11-14 июля 2012 г. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. - С. 164-165.

6. Подгорный, И.И. Некоторые особенности рынка автоклавного газобетона / И.И. Подгорный, Н.И. Алтынник // Исследования и инновации в ВУЗе: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, Белгород, 2012 г. -Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - 4.1. - С. 604-607.

7. Нелюбова, В.В. Некоторые особенности повышения эффективности ячеистых композитов автоклавного твердения / В.В. Нелюбова, Е.В. Фомина, Н.И. Алтынник, И.И. Подгорный // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб. науч. тр. по мат. 2 Всерос. науч.-практ. конф., Саратов, 2012. - Саратов: СГТУ, 2012 г. - С. 45-48.

8. Алтынник, Н.И. Ячеистые материалы автоклавного твердения с модифицирующими компонентами / Н.И. Алтынник, И.И. Подгорный, М.И. Алту-нина, В.В. Нелюбова // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб. науч. тр. по мат. Междунар. науч.-практ. конф., Саратов, 2013. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2013 г. - С. 9-11.

9. Нелюбова, В.В. Особенности макроструктуры газобетона с использованием наноструктурированного модификатора // В.В. Нелюбова, Н.И. Алтынник, И.И. Подгорный // Актуальные вопросы образования, пауки и техники: мат. девятой Междунар. науч.-практ. конф., Донецк, 15-17 ноября 2013. - Донецк: ООО «Цифровая типография», 2013 г. - T.2. - С. 91-96.

10. Подгорный, И.И. Автоклавный газобетон, модифицированный нано-структурированным вяжущим / И.И. Подгорный, Н.И. Алтынник, М.И. Алту-нина, В.В. Нелюбова // Будущее технической науки: сб. мат. Междунар. Молодежной науч.-техн. конф., Нижний Новгород, 24 мая 2013. - Нижний Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2013 г. - С.298-299.

11. Подгорный,' И. И. Основные тенденции и особенности применения нано-размерных компонентов в строительном материаловедении / И.И. Подгорный // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте: сб. науч. тр. SWORLD, Одесса, 2013 г. - Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2013. - Т. 35. - С. 35-39.

12. Подгорный, И.И. К вопросу об эффективности наноструктурированных модификаторов различного состава [электронный ресурс] / И.И. Подгорный, Н.Е. Гафарова, В.А. Кобзев // Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2014 г. - Белгород, 2014.

13. Нелюбова, В.В. Оценка эффективности использования наноструктури-рованного вяжущего при получении автоклавных ячеистых бетонов / В.В. Нелюбова, Н.И. Алтынник, И.И. Подгорный // Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение: сб. мат. III Всерос. науч.-практ. конф., Якутск, 3-4 марта, 2014 г. -Киров: МЦНИП, 2014. - С. 332-336.

Полученные объекты интеллектуальной собственности

14. Ноу-хау № 20130030. Наноструктурированный газобетон автоклавного твердения / В.В. Строкова, В.В. Нелюбова, И.И. Подгорный, Н.И. Алтынник: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении высшего профессионального образования Белгор. гос. технол. унив-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 23.10.2013. Срок охраны: 5 лет.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры материаловедения и технологии материалов и лично д-ру техн. паук, профессору Строковой Валерии Валерьевне за консультации и активное участие в обсуждении результатов работы

ПОДГОРНЫЙ ИЛЬЯ ИГОРЕВИЧ

МАТЕРИАЛЫ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА НА ОСНОВЕ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД КИСЛОГО СОСТАВА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.04.15. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,34. Тираж 100 экз. Заказ // (¿8

Отпечатано в БГТУ им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.