автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицированный теплоизоляционный пенобетон повышенной прочности с применением микрокремнезема

005554878

На правах рукописи

Баранова Альбина Алексеевна

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПЕНОБЕТОН ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОКРЕМНЕЗЁМА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

V ?

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Улан-Удэ 2014

005554878

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ангарская государственная техническая академия»

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент

Савенков Андрей Иванович

Официальные оппоненты: - Соков Виктор Николаевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология композиционных материалов и прикладная химия», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»

Зиновьев Александр Александрович

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Строительное материаловедение и технологии», декан инженерно-строительного факультета ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Ведущая организация: - ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный

технический университет»

Защита состоится « 10 » 2014 г. в -// на заседании

диссертационного совета ДМ 212.039.01 при ФГБОУ ВПО «Восточно- . Сибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан « 29 » •/О 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Дамдинова Дарима Ракшаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: В настоящее время неуклонно увеличивается доля неавтоклавного пенобетона средней плотностью от 400 до 600 кг/м3, применяемого для наружного стенового ограждения. Неавтоклавный пенобетон является одним из эффективных теплоизоляционных строительных материалов, особенно в регионах с суровыми климатическими условиями.

Несмотря на свои положительные качества, такие как низкие теплопроводность, средняя плотность и затраты на производство, а также возможность утилизации промышленных отходов, неавтоклавные пенобетоны характеризуются рядом недостатков, главным из которых является невысокая прочность. Это затрудняет его применение как стенового материала и утеплителя межэтажных перекрытий, где требуется обеспечить необходимую прочность в пределах от 0,5 до 2,0 МПа. Применение пластификаторов и ультрадисперсных наполнителей позволит добиться физико-механических свойств неавтоклавного пенобетона, сопоставимых автоклавному при той же средней плотности. В настоящее время появляется большое количество пластификаторов, применение которых в технологии пенобетона ограничено и малоизученно.

Цель работы. разработка технологии получения и составов теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения,

модифицированных пластификаторами нового поколения с использованием микрокремнезёма и исследование их физико-механических и теплотехнических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- теоретически обосновать выбор поверхностно-активных веществ (ПАВ) для получения теплоизоляционного пенобетона с повышенными прочностными характеристиками;

- разработать составы эффективного теплоизоляционного пенобетона с применением пластификаторов нового поколения и микрокремнезёма, позволяющего снизить расход портландцемента;

- установить взаимосвязь физико-механических и теплотехнических характеристик модифицированного пенобетона от количества вводимых добавок;

- усовершенствовать методику проектирования составов пенобетона с модифицирующими добавками.

На защиту выносятся:

- теоретические и практические аспекты улучшения физико-механических характеристик теплоизоляционного пенобетона с применением пластификаторов нового поколения и микрокремнезёма;

составы пенобетона, модифицированного пластификаторами и микрокремнезёмом;

- механизм пластификации пенобетонной смеси, как способа упрочнения структуры пенобетона;

математические модели зависимости физико-механических характеристик пенобетона от содержания компонентов состава исходной смеси;

- уточнённая методика подбора составов пенобетонных смесей, внедрение результатов расчёта.

Научная новизна исследований:

- предложены принципы повышения эффективности производства теплоизоляционных пенобетонов, заключающиеся в оптимизации количества добавок гиперпластификаторов и микрокремнезёма на формирование рационального состава пенобетона;

- определён механизм пластификации пенобетонной смеси, как способа упрочнения структуры пенобетона, заключающийся в синергетическом эффекте, возникающем при введении в систему двух ПАВ различного действия;

установлен характер совместного воздействия ПАВ (гиперпластификатора и пенообразователя) и микрокремнезёма на структуру вспениваемого материала, обеспечивающего повышение прочности пенобетона, что подтверждается изменением фазового состава новообразований пенобетонов с добавками;

- выведены математические зависимости прочности при сжатии, средней плотности и теплопроводности модифицированного теплоизоляционного пенобетона от прочности его матрицы, количества, вида пенообразователя и водотвёрдого отношения.

Практическая значимость:

- предложен прибор для определения подвижности цементного теста сдобавками пенообразователей (патент на полезную модель№ 124398);

- разработаны и оптимизированы составы пенобетона на основе микрокремнезёма и пластификаторов средней плотностью от 400 до 500 кг/м3 и прочностью, сопоставимой с прочностью автоклавного газобетона (от 2,0 до 2,5 Мпа), увеличено содержание ультрадисперсного микрокремнезёма с 30 % от массы сухих компонентов до 50 %, что приводит к экономии цемента.

- разработан новый способ проектирования составов пенобетонов (заявка № 2013136323/03(054490) Способ проектирования составов пенобетонных смесей/ Баранова A.A., решение о выдаче патента на изобретение от 08.09.2014, приоритет установлен по дате подачи заявки 01.08.2013).

- расширена сырьевая база для производства пенобетона, благодаря

применению микрокремнезёма с фильтров пылеуловителей ЗАО «Кремний» (г. Шелехов), что позволяет снизить себестоимость 1 м~" продукции без ухудшения эксплуатационных показателей, а при крупнотоннажном производстве — улучшить экологию Иркутской области.

Достоверность научных положений подтверждается результатами испытаний серии пенобетонных образцов, комплексным характером проведённых исследований с применением математического планирования эксперимента и обработкой его результатов, проверкой результатов лабораторных исследований в производственных условиях, физико-химическими исследованиями.

Внедрение результатов исследований.

Разработанные составы пенобетона используются ООО «Алеом» (г. Ангарск) и ООО «Стройкомфорт» (г. Иркутск) при монолитном строительстве по методике «СОВБИ». Продукция соответствует ГОСТ 25485-89. Результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство», а также бакалавров по направлению «Строительство», что отражено в учебной программе дисциплины «Перспективные строительные материалы».

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на:

научно-практической конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов, посвященной 50-летию ВСГУТУ (г. Улан-Удэ, 2012);

- международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика.» (г. Улан-Удэ, 2012);

- 1-ой международной научно-практической конференции «Теория и практика внедрения новых технологий и материалов в производстве и строительстве» (г. Москва 2012);

- XXVI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-26» (г. Саратов, 2013);

ежегодно на научно-технических конференциях Ангарской государственной технической академии «Современные технологии и научно-технический прогресс» (г. Ангарск, 2012-2014).

Публикации.

По результатам исследований диссертационной работы опубликовано 14 статей, в том числе в рецензируемых журналах по списку ВАК МОиН РФ две статьи, получены патент на полезную модель № 124398 и решение о выдаче патента на изобретение (заявка № 2013136323/03(054490) Способ проектирования составов пенобетонных смесей/ Баранова A.A., решение

о выдаче патента на изобретение от 08.09.2014, приоритет установлен по дате подачи заявки 01.08.2013), оформлена заявка на изобретение № 2014131424 «Сырьевая смесь для получения эффективного пенобетона».

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста с приложениями, содержит 24 таблицы, 77 рисунков, библиографический список из 230 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, её практическая значимость и научная новизна, а также основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе проведён анализ состояния вопроса о применении пластифицирующих добавок и микрокремнезёма при производстве теплоизоляционного пенобетона.

Пластификацией пенобетонных смесей занимались Калашников В.И., Макридин Н.И, Местников А.Е., Кузнецов Ю.С., Иванов И.А., Ухова Т.А., Кривицкая И.Г, Дворкин Л.И. и др.

В технологии пенобетона нашёл применение суперпластификатор С-3. Калашниковым В.И., Макридиным Н.И. и Кузнецовым Ю.С. рекомендовано снижение нормы расхода воды в составе ячеистобетонных смесей с использованием суперпластификатора С-3 на 35%.

Собкаловым П.Ф. и Бертовым В.М. была разработана сырьевая смесь для изготовления конструктивного теплоизоляционного пенобетона на основе золы-унос с В/Т от 0,28 до 0,43 и с добавкой суперпластификатора С-3 в количестве от 0,4 до 1,4 % от массы всех компонентов (патент РФ №2237041).

Местников А.Е., Егорова А.Д., Кардашевский А.Г. разработали сырьевую смесь для изготовления теплоизоляционного ячеистого бетона неавтоклавного твердения на основе горелой породы с В/Т=0,79 и с добавкой С-3 в количестве 0,2 % массовой доли компонентов (патент РФ № 2491257).

Однако влияние новейших пластифицирующих добавок на физико-механические свойства пенобетонов в современной технической литературе практически не рассматривается, соответственно вопрос о возможности их применения в составе теплоизоляционного пенобетона очень актуален.

Исследованиями микрокремнезёма в бетонах занимались Батраков В.Г., Каприелов С.С., Шейнфельд A.B., Брыков A.C., Чучилин A.C., Марина H.A., Филатова Т.В., Шабанова H.A., Попов В.В., Саркисов П.Д., Холин С.А., Зиновьев A.A., Браун Г., Айлер Р. и др.

Известны составы неавтоклавного пенобетона с добавкой микрокремнезёма в количестве от 3 до 20 % от массы всех компонентов, при этом В/Т составляло от 0,55 до 0,8 (патент РФ № 2338723, патент РФ № 2247097, патент РФ № 2488570).

Положительное влияние микрокремнезёма на структуру и физико-механические характеристики бетона обусловлено его пуццолановой активностью и ультрадисперсностью. Активный БЮт способен вступать в реакцию с Са(ОН)2, высвобождаемым в процессе гидратации цемента, с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция.

Частицы микрокремнезёма заполняют пустоты между сольватными оболочками гидратирующего цемента и взаимодействуют с зёрнами гидрата окиси кальция, который является продуктом реакции гидратации. Зёрна микрокремнезёма создают поверхность, на которой могут располагаться гидратные новообразования, появляющиеся в результате гидратации. Они способствуют росту кристаллов гидратных соединений и их уплотнению.

Высокая дисперсность микрокремнезёма придаёт ему свойства ультрадисперсного наполнителя, заполняющего пространство между зёрнами цемента. Распределяясь в объёме растворной смеси, реактивные сферические микрочастицы окружают зёрна цемента, тем самым уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление.

Всеми авторами отмечается положительное влияние микрокремнезёма на физико-механические характеристики бетонов.

На основании анализа литературных источников была принята гипотеза, рассматривающая возможность применения микрокремнезёма с фильтров пылеуловителей ЗАО «Кремний» и пластификаторов нового поколения при производстве теплоизоляционного пенобетона неавтоклавного твердения. Это позволит получить его прочность, сопоставимую и даже превышающую прочность автоклавных ячеистых бетонов.

Во второй главе изложены характеристики сырьевых материалов, методика проведения экспериментов и испытаний и предложена новая методика проектирования составов пенобетонных смесей.

В исследованиях были использованы следующие сырьевые материалы:

- портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108-2003 (ПЦ-5О0-Д0 по ГОСТ 10178-85) ОАО «Ангарскцемент» г. Ангарск;

- микрокремнезём марки МК-85 по ТУ 5743-048-02495332-96 ЗАО «Кремний» г. Шелехов;

- вода техническая по ГОСТ 23732-79;

синтетический пенообразователь на основе силиконов «Пента Пав 430А»;

- синтетические пенообразователи «Биофоам С», «Макспен»;

- протеиновые пенообразователи «Омпор», «Биофоам В»;

комплексная добавка (суперпластификатор+ускоритеяь твердения) «Реламикс-М»: '

гиперпластификатор на основе поликарбоксилатов «MC-Power-Flow-3100»;

гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира «GLENIUM SKY 591».

При получении пенобетона раздельно готовились исходная смесь (цемент+вода+добавки) и пена (вода+пенообразователь), которые впоследствии смешивались. Изготавливались образцы двух размеров: 100x100x100 мм и 40x40^160 мм. Исследования проводились на аттестованном оборудовании.

Подвижность исходной смеси определялась при помощи вискозиметра Суттарда и составляла 20, 25, 30 см. Прочность при сжатии образцов пенобетона определялась при помощи гидравлического пресса ИП-1000. Определение влажности производилось с помощью сушильного электрического шкафа 2В-151 и настольных весов НВ-1500. Измерение теплопроводности производилось электронным измерителем теплопроводности ИТП-МГ4 «Зонд».

Физико-механические и теплотехнические свойства образцов определялись по стандартным методикам согласно ГОСТ 12730.1, ГОСТ 12730.2, ГОСТ 10180, ГОСТ 7076.

В процессе работы автором был предложен новый способ проектирования составов пенобетонных смесей (заявка № 2013136323/03(054490) Способ проектирования составов пенобетонных смесей/ Баранова A.A., решение о выдаче патента на изобретение от 08.09.2014), основанный на точном соблюдении физической закономерности упаковки зёрен исходных материалов в сложной системе пенобетона с учётом заполнения межзернового пространства пеной.

Сущность способа подбора составов пенобетонных смесей заключается в определении объёма составляющих компонентов пенобетонной смеси -цемента, заполнителя с учётом насыпной плотности (р„), воды и пены расчётным путём.

Предлагаемый способ проектирования состава позволяет определить:

- требуемое количество пены на 1 mj пенобетона разной средней плотности расчётным путём;

- ^ требуемое количество воды и пенообразователя в пене на 1 mj пенобетона разной средней плотности расчётным путём;

- требуемое количество цемента и заполнителя на ! м3 пенобетона разной средней плотности с учётом их насыпных плотностей.

В третьей главе проанализированы основные характеристики поверхностно-активных веществ, рассмотрена возможность применения пластификаторов нового поколения в теплоизоляционных пенобетонах, выведена закономерность, позволяющая определить прочность при сжатии пенобетона от прочности его матрицы.

С целью выявления пенообразователя с наилучшими качественными показателями и наименьшим деструктивным воздействием на цементную систему для каждого пенообразователя были определены следующие характеристики: кратность, стойкость во времени, коэффициент использования пены с разной концентрацией их водного раствора, подвижность и сроки схватывания (начало и конец) цементного теста с разным процентным содержанием данных пенообразователей, прочность цементного камня.

Наличие поверхностно-активных веществ (ПАВ) однозначно снижает прочность матрицы, но в присутствии протеинового пенообразователя этот эффект проявляется в меньшей степени, т.к. по мнению Нестеровой Л.Л., Лугининой И.Г. и Шаховой Л.Д при гидратации цемента в растворе с синтетическим пенообразователем образуется большее количество новообразований со слабо выраженным кристаллическим обликом в сравнении с новообразованиями, возникающими при гидратации в растворе с протеиновым пенообразователем. По таким технологическим показателям, как подвижность раствора и сроки схватывания, цементное тесто так же менее чувствительно к протеиновому пенообразователю, чем к синтетическому. Однако для дальнейших исследований был выбран синтетический пенообразователь «Пента Пав 430А», т.к. кратность пенообразователя должна быть не менее 10, поскольку, во первых, чем выше кратность тем меньшее его количество требуется для изготовления пенобетона требуемой марки по средней плотности, а, соответственно и меньше отрицательное воздействие пенообразователя на гидратацию вяжущего. Во вторых, при равном В/Ц большее количество воды в растворе (цемент+вода) будет содержаться при использовании синтетического пенообразователя, а при применении протеинового пенообразователя большее количество воды пойдёт на изготовление пены. Водоцементное отношение требует детального подхода с учётом особенностей пенообразователя. Известно, что излишнее количество воды в растворной смеси впоследствии негативно сказывается на прочности вспененного цементного камня.

Гиперпластификатор на основе поликарбоксилатов

«MC-Power-Flow-3100» показал лучший водоредуцирующий эффект при низких количествах добавки в цементное тесто. Установлено, что пластификаторы оказывают отрицательное влияние на коэффициент использования пены (гиперпластификатор «GLEN1UM SKY 591» обладает

«пеногасящим» свойством). Это необходимо учитывать при подборе состава пенобетонов с добавка,ми пластификаторов.

Установленная зависимость прочности при сжатии пенобетона от прочности его матрицы, количества и вида пенообразователя имеет вид:

где Ни - прочность матрицы при нулевой концентрации пенообразователя, МПа; к - эмпирический коэффициент снижения прочности, зависящий от вида пенообразователя, для «Омпор» к=1,83, для «Пента Пав 430А» к=3,23; с - количество пенообразователя в цементном тесте, % от массы цемента; рга - средняя^ плотность пенобетона, кг/м^; р - плотность невспененной матрицы, кг/м''; Ь - показатель, зависящий от средней плотности пенобетона и находящийся в пределах от 3 для 0400 и до 4,5 для 0900 (промежуточные значения Ь принимаются методом интерполяции).

С точки зрения коллоидной химии цементный раствор относится к неустойчивым лиофобным системам. Его устойчивость может быть сохранена искусственно, путём лиофилизации поверхности раздела фаз за счёт снижения поверхностного натяжения, т. е. при помощи пластификаторов. Это достигается адсорбцией и образованием на границе раздела фаз адсорбционных слоев молекул гиперпластификатора. Автором предложен механизм действия гиперпластификатора на свойства матрицы, представленный на рисунке 1.

На агрегатмвную устойчивость цементной системы оказывают влияние два фактора: электростатический барьер, обусловленный силами отталкивания, и адсорбционно-сольватный барьер, который окружает частицы цемента и препятствует их сближению.

При введении пластификатора в цементный раствор происходит адсорбция молекулы на поверхности частиц цемента, что придаёт им одноимённо отрицательный заряд и вызывает снижение ¿^-потенциала, т.е. создаётся электростатический барьер, который отталкивает частицы друг от друга, в результате чего происходит усиление агрегативной устойчивости системы.

С другой стороны, при адсорбции молекулы пластификатора на поверхности цементных частиц образуются сольватные слои, которые при сближении частиц перекрываются, в результате чего возрастает осмотическое давление, а с ним и давление отталкивания, которое предотвращает коагуляцию и, тем самым, увеличивает агрегативную устойчивость системы. В свою очередь, увеличение агрегативной устойчивости приводит к повышению седиментационной устойчивости.

(1)

Свободная водя

Рисунок 1 - Механизм вытеснения гиперпластификатором пенообразователя на границу «газ-жидкость» в системе портландцемент+вода+наполнитель

Адсорбционные слои пластификаторов лиофилизируют поверхность частиц дисперсной фазы и одновременно образуют структуры, обладающие упругостью и прочностью.

Введение пластификаторов в растворную смесь способствует изменению содержания связанной воды в сольватных оболочках частиц новообразований цемента. В результате адсорбции ПАВ на поверхности твёрдой фазы количество воды сольватных оболочек уменьшается, а количество свободной воды возрастает, что улучшает реологические характеристики смеси, но процессы структурообразования и твердения цемента несколько замедляются.

В соответствии с рисунком 2, подход к определению процента пластифицирующих добавок в пенобетоне основывается на выявлении подвижности растворной смеси, определяемой с помощью вискозиметра Суттарда по ГОСТ 23789.

В результате для пенобетона на основе цемента были получены следующие уравнения регрессии с нормируемыми переменными.

Для растворной смеси с гиперпластификатором «МС-Ро\уег-По\У-3100»: У=29,74+6,85Х|+10,7Х2+1,15Х,Х2+0,93Х1,92Х22 (2) 11

Для растворной смеси с суперпластификатором и ускорителем твердения «Реламикс-М»:

Y=29,31+8,33X1+13,56X2+1,33X1X2-1,69XI2+3.1!X22 (3) Для растворной смеси с гиперпластификатором «GLEN1UM SKY 591»:

Y=25,27+7.1 lXi+11,4Х2+0,08Х,Х2+0,1 3X,2+3Л8Х,2 (4) В уравнениях Y - диаметр расплыва исходной смеси по Суттарду, см; X, - водоцементное отношение (В/Ц), Х2 - количество пластифицирующей добавки в % от массы твёрдых веществ.

Рисунок 2 - Подвижность цементного раствора в зависимости от волоцементного отношения и количества пластифицирующей добавки

Уравнения (2, 3) адекватно описывают эксперимент в диапазоне Х| от 0,38 до 0,46 и Х2 от 0 до 1 %. а уравнение (4) - при X, от 0,38 до 0.46 и Х2 от 0 до 2 %.

Задавшись значениями диаметра расплыва по Суттарду и водоцементным отношением (В/Ц), получают процентное содержание пластифицирующей добавки, которое может быть использовано для расчёта состава пенобетона

средней плотностью от 400 до 500 кг/м\

С целью определения влияния количества пластификаторов на физико-механические (средняя плотность, влажность, прочность при сжатии) и теплотехнические (теплопроводность) свойства пенобетона была проведена серия экспериментов. С использованием пенообразователя «Пента ПАВ 430А» готовились образцы пенобетона с водоцементным отношением 0.38. 0,42, 0,46 и пластификатором в таком количестве, чтобы расплыв по Суттарду исходной смеси составлял 20, 25, 30 см.

Применение пластифицирующих добавок «Реламикс-М» и «GLENIUM SKY 591» приводит к снижению подвижности раствора по сравнению со стандартной подвижностью в соответствии с СН 277-80. Это необходимо учитывать при расчёте состава пенобетона. Максимальный прирост прочности пенобетонных образцов при применении суперпластификатора и ускорителя твердения «Реламикс-М» и гиперпластификатора «MC-Power-Flow-ЗЮО» наблюдается при В/Ц=0,42, а при применении гиперпластификатора «GLENIUM SKY 591» - при В/Ц=0,38.

Для контрольного пенобетонного образца (без пластификаторов) и образцов с пластифицирующими добавками был проведён рентгенофазовый анализ, результаты которого сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты рентгенофазового анализа контрольного пенобетонного образца и образцов с пластифицирующими добавками______________ _____

Наименование образца Без добавок - контрольный (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) Количество соединений, %

BCaOSiO; 29,81 Са(ОН)2 60,31

С добавкой «Реламикс-М» (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 31,06 49.70

С добавкой «ОЬЕМиМ 5КУ 591» (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 35,46 56,17

С добавкой «MC-Power-Flow-3100» (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 43,18 47,98

Пластифицирующие добавки несколько замедляют гидратацию цемента. Рост прочности пенобетонных образцов модифицированных пластификаторами, в соответствии с рисунком 3, обусловлен ростом удельной поверхности продуктов гидратации, уменьшением размера кристаллов новообразований и увеличением их количества в единице объёма пластифицированного цементного камня. Пластификаторы. обладая диспергирующим действием, формируют более однородную структуру пенобетона.

Рисунок 3 - Прочность при сжатии пенобетонных образцов без добавок и с добавками пластификаторов

В четвёртой главе определяется возможность использования микрокремнезёма в теплоизоляционных пенобетонах и его совместное влияние с гиперпластификатором «MC-Power-Flo\v-3100» на физико-механические и теплотехнические характеристики пенобетона.

В соответствии с рисунками 4 и 5. подход к определению количества микрокремнезёма и пластификатора «MC-Power-F!ow-3100» в пенобетоне основывается на выявлении подвижности растворной смеси, определяемой при помощи вискозиметра Суттарда по стандартной методике, а) б)

Количество мюфокремнезёма, °/о от массы стан компонентов

Количество мнкрокремиезёма, Я'о от массы сухнх компонентов

а) количество МК от 10 до 30 %_ диапазон В/Т от 0,6 до 0.8;

б) количество МК от 40 до 60 %, диапазон В/Т от 0,8 до 1,0

Рисунок 4 - Подвижность раствора (цемент+микрокремнезём) в зависимости от водотвёрдого отношения (В/Т) и количества микрокремнезёма (МК)

14

Для пенобетона на основе цемента и микрокремнезёма были получены следующие уравнения регрессии с нормированными переменными.

Для растворной смеси с добавкой от 10 до 30 % микрокремнезёма и В/Т от 0,6 до 0.8:

У=26,04+7.83Х,-2,83Х2+0,81Х,Х2-0,41Хг+0,59Х22 (5) Для растворной смеси с добавкой от 40 до 60 % микрокремнезёма и В/Т от 0,8 до 1.0:

У=30.51+5,51Х|-2,47Х2-0,ЗХ,Х2-0.97Х,2+0.059Х22 (6) В уравнениях У - диаметр расплыва исходной смеси по Суттарду. см; X, - водотвёрдое отношение; Х2 - количество микрокремнезёма, % от массы сухих компонентов.

Уравнение (5) адекватно описывает эксперимент в диапазоне X, от 0,6 до 0.8 и Х2 от 10 до 30 %, а уравнение (6) - при X, от 0,8 до 1; Х2 от 40 до 60 %.

а) количество МК от 10 до 30 %, диапазон пластифицирующей добавки от 0,4 до 1,2 %; б) количество МК от 40 до 60 %, диапазон пластифицирующей добавки от 0.8 до 1.6 %

Рисунок 5 - Подвижность раствора (цемент+микрокремнезём) в зависимости от количества микрокремнезёма и гиперпластификатора «МС-Ро\\'ег-Р1ош-3100»

Подвижность пенобетонной смеси уменьшается с увеличением количества микрокремнезёма, соответственно приходится увеличивать водотвёрдое отношение, для того чтобы получить необходимую подвижность смеси по СН 277-80. Впоследствии это приводит к увеличению влажности готового пенобетона. Поэтому целесообразно использовать микрокремнезём совместно с пластифицирующей добавкой, снижающей В/Т растворной смеси и влажность готового пенобетона.

Для пенобетона на основе цемента, микрокремнезёма и гиперпластификатора «МС-Ро\\ег-Р1о\у-3100» были получены следующие

уравнения регрессии с нормированными переменными.

Для растворной смеси с добавками от 10 до 30 % микрокремнезёма и от 0,4 до 1,2 % гиперпластификатора «МС-Ро\тег-Р1ои'-3100»:

У=25,62-5,28Х|+9,73Х2+0,13Х1Х2+0,49Хг-1,16Х22 (7)

Для растворной смеси с добавками от 40 до 60 % микрокремнезёма и от 0,8 до 1,6 % гиперпластификатора «МС-Рои<ег-Р1о\\'-3100»:

У=24,1-1,88Х,+6,08Х2+1,13Х,Х2-0,18Хг-1,38Х22 (8)

В уравнениях У - диаметр расплыва растворной смеси по Суттарду, см: Х| - количество микрокремнезёма, %; Х2 - количество гиперпластификатора «МС-Ром/ег-Р1о\у-3100».

Уравнение (7) адекватно описывает эксперимент в диапазоне X, от 10 до 30 % и Х2 от 0,4 до 1,2, а уравнение (8) - при X, от 40 до 60 % и Х2 от 0,8 до 1,6.

Для выявления возможности использования в производстве пенобетона микрокремнезёма с фильтров пылеуловителей ЗАО «Кремний» (г. Шелехов) и его влияния на прочность, влажность и теплопроводность пенобетона была проведена серия экспериментов. Образцы изготавливались с использованием пенообразователя «Пента ПАВ 430 А». Известно, что введение до 30 % микрокремнезёма в пенобетон повышает его прочность до 40 %. Содержание микрокремнезёма в составе пенобетона варьировалось в диапазоне от 10 до 60 %.

Результаты исследований по определению влияния количества микрокремнезёма (до 60 % от массы твёрдых компонентов) на влажность, прочность при сжатии и теплопроводность приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические характеристики пенобетона с добавкой микрокремнезёма в количестве от 0 до 60 % и комплексной добавкой микрокремнезёма и гиперпластификатора «МС-Ро\уег-Р1о\у-3100»

Количество микрокремнезёма, % Без гиперпластификатора С гиперпластификатором

Средняя плотность, кг/м"1 Проч-Влаж- ность ность. при % сжатии. МПа Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/(м-°С) Средняя плотность, кг/м"1 Влажность. % Проч- : Теплопро-ность водность в при сухом сжатии,: состоянии, МПа Вт/(м-°С)

0 440 29.0 0.64 j 0.106 450 19.5 1.19 0,096

10 450 33,5 , 1,53 | 0,088 440 16.4 1.55 0.105

20 450 38,3 1,98 0,120 450 24.1 1,47 0,110

30 450 41,1 2.08 | 0,120 440 25.0 1.73 0,106

40 440 40,8 ; 1,42 0,105 450 14.5 1.39 0.086

50 450 46,8 1,32 0,107 450 16.3 2.61 0,123

60 450 50,4 1,06 0,119 450 15.3 2.52 0,112

Максимальный прирост прочности пенобетонных образцов по сравнению с контрольными образцами наблюдается при добавлении микрокремнезёма в растворную смесь в количестве 30 % без гиперпластификатора и 50 % с добавкой 1,3 % гиперпластификатора «МС-Ро\¥ег-Р1о\у-3100». Таким образом, применение гиперпластификатора на основе поликарбоксилатов «МС-Ро\\,ег-Р1о\у-3100» не только снижает влажность пенобетонных образцов, но и позволяет увеличить расход микрокремнезёма до 50 % от массы твёрдых компонентов. Применение микрокремнезёма в пенобетонных образцах не существенно влияет на их теплопроводность.

Для контрольного пенобетон ного образца (без добавок) и образцов с добавками разного количества микрокремнезёма (МК) и гиперпластификатора был сделан рентгенофазовый анализ, результаты которого представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты рентгенофазового анализа контрольного пенобетонного образца и образцов с пласифицирующей добавкой «МС-Ро\уег-Р1о\у-3100» и МК

Наименование образца Количество полученных соединений, %

ЗСа30-5Ю2 Са(ОН)2

Без добавок - контрольный (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 29,81 60,31 - -

С добавкой 30 % МК (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 26,13 44,75 11,42 5,42

С добавкой 50 % МК (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 34,71 13,36 27,09 11.77

С добавкой 30 % МК и 1 % «МС-Роу^ег-Р!о\у-3100» (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 39,68 31,68 14,01 3,97

С добавкой 50 % МК и 1,3 % «МС-Ро\л,ег-Р1о\у-3100» (диаметр расплыва по Суттарду растворной смеси 25 см) 41,17 9,49 26,24 8,79

Анализ РФА подтверждает углубление гидратации. Содержание гидроксида кальция уменьшается, вследствие его связывания аморфным кремнезёмом.

Изменение фазового состава и структуры новообразований при введении добавки МК положительно влияет на физико-механические характеристики пенобетона. На этом же основано утверждение о повышении прочности воздушных пузырьков при проявлении эффекта Марангони, который заключается в способности деформированных пузырьков восстанавливать форму вследствие уменьшения толщины адсорбционного слоя, а значит -

увеличение поверхностного натяжения и устойчивости пеноцементной системы. Применение МК требует дополнительного количества воды затворения для смачивания высокодисперсного порошка, что приводит к увеличению влажности конечного продукта. Поэтому, чтобы снизить влажность изделий, содержащих микрокремнезём, необходимо дополнительно вводить пластифицирующие добавки.

Для двух образцов - контрольного и с комплексной добавкой микрокремнезёма в количестве 50 % от массы сухих компонентов и 1,3 % гиперпластификатора «МС-Роу/ег-Р1о\у-3100» были проведены электронно-микроскопические исследования структуры цементного камня, представленные на рисунке 6. а.) 5)

а) без добавок; б) с добавками 50 % микрокремнезёма и 1,3 % гиперпластификатора Рисунок 6 - Микроструктура цементного камня

Пластификаторы изменяют морфологию продуктов гидратации. В соответствии с рисунком 6, в их присутствии вместо иглообразных кристаллов эттрингита формируются шарообразные частицы. При росте кристаллов эттрингита сорбция молекул пластификатора происходит в большей степени на их торцевых участках, обладающих наибольшей поверхностной энергией, тем самым препятствуя их дальнейшему росту.

Вследствие адсорбционного модифицирования алюминатных структур пластификаторами удельная поверхность продуктов гидратации СзА значительно возрастает.

Микрокремнезём также способствует модифицированию микроструктуры. Согласно рисунку 6, б, характер микроструктуры более плотный по сравнению с контрольным составом за счёт уменьшения водосодержания и углубления гидратации.

В пятой главе рассмотрена экономическая целесообразность исследований. Рассчитан экономический эффект от использования

18

пластифицирующих добавок и микрокремнезёма в составах теплоизоляционного пенобетона повышенной прочности. Доказано, что применение микрокремнезёма совместно с пластификатором снижает себестоимость 1 теплоизоляционного пенобетона на 23,1 % по сравнению с контрольным составом.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны технология получения и составы теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения, модифицированных пластификаторами нового поколения с использованием микрокремнезёма средней плотностью от 400 до 500 кг/м3 и прочностью, сопоставимой с прочностью автоклавного газобетона (от 2,0 до 2,5 МПа). Наибольший эффект даёт комплексная модификация структуры пенобетона путём совместного применения гиперпластификатора и микрокремнезёма.

2. Теоретически обоснован выбор поверхностно-активных веществ (ПАВ) для получения теплоизоляционного пенобетона с повышенными прочностными характеристиками. Установлено, что применение синтетического пенообразователя «Пента Пав 430А» по таким параметрам как кратность и стойкость пены во времени и гиперпластификатора на основе поликарбоксилатов «МС-Ро^'ег-Р1о\л'-3100» по водоредуцирующему эффекту более целесообразно. Изучен фазовый состав новообразований цементной системы, включающей два вида разных поверхностно-активных веществ, а именно пенообразователя и гиперпластификатора. Пластифицирующие добавки несколько замедляют гидратацию цемента. Рост прочности пенобетонных образцов модифицированных пластификаторами обусловлен ростом удельной поверхности продуктов гидратации, уменьшением размера кристаллов новообразований и увеличением их количества в единице объёма пластифицированного цементного камня. Пластификаторы, обладая диспергирующим действием, формируют более однородную структуру пенобетона.

3. Предложен прибор для определения подвижности цементного теста с добавками пенообразователей (патент на полезную модель № 124398).

4. Разработаны составы и принципы повышения эффективности производства теплоизоляционных пенобетонов, содержащих комплексную добавку, заключающиеся в оптимизации количества добавок пластификаторов и микрокремнезёма и формировании рационального состава пенобетонной смеси. Получены и внедрены составы модифицированного теплоизоляционного пенобетона с применением микрокремнезёма средней плотностью 500 кгЛ^ и прочностью при сжатии до 3,1 МПа. Экономическая эффективность применения комплексной добавки обусловлена возможностью

снижения расхода цемента до 50 % и получением теплоизоляционного пенобетона с повышенными прочностными характеристиками за счёт замещения его местным вторичным сырьём — микрокремнезёмом.

5. Установлена взаимосвязь физико-механических и теплотехнических характеристик модифицированного пенобетона от количества вводимых добавок. Доказано, что добавка микрокремнезёма снижает тиксотропные свойства системы. В то же время, анализ формы реологических кривых пеноцементных суспензий показывает, что присутствие в системе ультрадисперсной минеральной добавки может компенсироваться только наличием высокоэффективных современных гиперпластификаторов. Выявлено, что количество микрокремнезёма в пенобетоне не существенно влияет на их теплопроводность. Установлено, что прочность пенобетона максимальна с применением гиперпластификатора при массовом соотношении микрокремнезём:цемент равном 1:1.

6. Разработан новый способ проектирования составов пенобетонных смесей (заявка на патент (заявка № 2013136323/03(054490) Способ проектирования составов пенобетонных смесей/ Баранова A.A., решение о выдаче патента на изобретение от 08.09.2014, приоритет установлен по дате подачи заявки 01.08.2013).

7. Определён механизм пластификации пенобетонной смеси, как способа упрочнения структуры пенобетона, заключающийся в синергетическом эффекте, возникающем при введении в систему двух ПАВ различного действия. Применение пластифицирующих добавок «Реламикс-М», «MC-Power-FIow-3100» и «GLENIUM SKY 591» приводит к снижению оптимальной подвижности раствора на 5 см по сравнению со стандартной подвижностью в соответствии с СН 277-80, что необходимо учитывать при расчёте состава пенобетона. Предельное количество гиперпластификаторов «MC-Power-Flow-3100» и «GLENIUM SKY 591» в растворной смеси составляет 1 % от массы твёрдых веществ, а суперпластификатора и ускорителя твердения «Реламикс-М» - 1,2 % от массы твёрдых веществ при В/Ц < 0,42 и 1 % при В/Ц > 0,42. Применять данные пластифицирующие добавки сверх вышеуказанных величин нецелесообразно, т.к. это приводит к синерезису структуры пенобетонной смеси.

8. Установлен характер совместного воздействия ПАВ (гиперпластификатора и пенообразователя) и микрокремнезёма, на структуру вспениваемого материала, обеспечивающего повышение прочности пенобетона до 120 %. Анализом РФА установлено, что содержание гидроксида кальция уменьшается, вследствие его связывания аморфным кремнезёмом. Благодаря эффекту пластификации происходит снижение водотвёрдого отношения пенобетона с применением микрокремнезёма с 0,9 до 0,42.

9. Расширена сырьевая база для производства пенобетона, благодаря

применению микрокремнезёма с фильтров пылеуловителей ЗАО «Кремний» (г. Шелехов), что позволяет снизить себестоимость 1 м3 продукции без ухудшения эксплуатационных показателей, а при крупнотоннажном производстве - улучшить экологию Иркутской области.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации.

Патенты:

1. Патент на полезную модель RU 124398 U1 МПК G01N 33/38 Прибор для определения подвижности цементного теста с добавками пенообразователей/ Баранова A.A., Савенков А.И. — 2013. - Бюл. № 2.

2. Заявка № 2013136323/03(054490) Способ проектирования составов пенобетонных смесей/ Баранова A.A., решение о выдаче патента на изобретение от 08.09.2014, приоритет установлен по дате подачи заявки 01.08.2013.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Савенков, А.И. Пенобетон теплоизоляционный с применением пластификаторов нового поколения / А.И. Савенков, A.A. Баранова // Вестник ВСГУТУ, 2014.-№3 (48).-с. 70-73.

2. Баранова, A.A. Пенобетон, модифицированный микрокремнезёмом ЗАО «Кремний» / A.A. Баранова, А.И. Савенков // Вестник ИрГТУ, 2014. -№8 (91).-с. 78-82.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Украины:

1. Савенков, А.И. Оценка влияния микрокремнезёма на свойства пенобетона неавтоклавного твердения / А.И. Савенков, A.A. Баранова // Проблеми розвитку мюького середовища: Наук.-техн. зб1рник / - К.: НАУ, 2014. - Вип. 2 (12). - с. 412-420.

2. Баранова, A.A. Оценка водоредуцирующего эффекта пластифицирующих добавок нового поколения и их влияния на прочность неавтоклавного пенобетона / A.A. Баранова, А.И. Савенков // Мюьке середовище- XXI стор1ччя. ApxiTeicrypa. Будшництва. Дизайн: Тези доповщей I М1жнародного науково-практичного конгресса, м. Кшв, 10-14 лютого 2014 р. / вщп. Ред. O.A. Трошкша. - К.: НАУ, 2014. - с.316-317.

3. Савенков, А.И. Перспективы использования кремнезёмсодержащих промышленных отходов для производства пенобетона неавтоклавного твердения / А.И. Савенков, A.A. Баранова // MicbKe середовище - XXI стор1ччя. ApxiTeKTypa. Будшництва. Дизайн: Тези доповщей I МЬкнародного науково-практичного конгресса, м. КиТв, 10-14 лютого 2014 р. / вщп. Ред. O.A. Трошкша. - К.: НАУ, 2014. - с.318-319.

Статьи в сборниках трудов, другие публикации:

1. Баранова, A.A. Улучшение физико-механических характеристик неавтоклавного ячеистого бетона / A.A. Баранова, E.H. Иванова // Современные технологии и научно-технический прогресс. Т. 1, № 1. -

Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2002. - с. 44-45.

2. Баранова, A.A. Влияние пенообразователей на свойства цементного теста / A.A. Баранова, Е.О. Полякова, О.В. Ховбощенко // Сборник научных трудов: Техническая кибернетика. Химия химические технологии. Строительство. Общественные науки. Спортивная медицина. Т. I, № I. -Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2012.-с. 116-118.

3. Баранова, A.A. Влияние пластификаторов на свойства цементного теста / A.A. Баранова, Е.О. Полякова, О.В. Ховбощенко // Современные технологии и научно-технический прогресс. Т. 1, № 1. - Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2012. - с. 30.

4. Савенков, А. И. Прочность и подвижность пеноцементной матрицы в присутствии пенообразователей / А.И. Савенков, A.A. Баранова // Материалы I международной научно-практической конференции «Теория и практика внедрения новых технологий и материалов в производстве и строительстве» (Москва, 1 декабря 2012 г.) / НИЦ «Апробация» - Москва: Издательство Перо, 2012. - 92 с.

5. Савенков, А.И. Влияние концентрации пенообразователей на свойства пеноцементной матрицы / А.И. Савенков, A.A. Баранова // Сборник научных трудов Ангарской государственной академии: Техническая кибернетика. Химия химические технологии. Строительство. Транспорт. Физика и математика. Общественные науки. Медицина и экологические проблемы. Экономика. Т. 1, № 1. - Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2013.-е. 182-186.

6. Савенков, А.И. Влияние микрокремнезёма на основные физико-механические свойства пенобетона неавтоклавного твердения / А.И. Савенков, A.A. Баранова // Вестник АГТА. Т. 1, № 1. - Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2013. - с. 39-41.

7. Савенков. А.И. Влияние пластификаторов на свойства цементного теста и прочность неавтоклавного пенобетона / А.И. Савенков, A.A. Баранова // Вестник АГТА. Т. 1, № 1. - Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2013. - с. 42-44.

8. Баранова, A.A. Математическое моделирование составов пенобетонных смесей / A.A. Баранова // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-26 [текст]: сб. труд. XXVI Междунар. науч. конф.: в 2-х ч. Ч. 1./ под общ. Ред. A.A. Большакова. - Ангарск: Ангарск, гос. технолог, акад.; Иркутск: Иркут. гос. ун-т, 2013. - с. 226-229.

9. Baranova, A.A. Confronto di forza e matrix schiuma su schiumogeni sintetici e di protein / A.A. Baranova, A.I. Savenkov, P.S. Gorbach // ITALIAN SCIENCE REVIEW. March, № 3 (12), 2014. - p. 208-211.

Подписано в печать 06.10.14. Формат 60x90 1/8. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 1,4. Уч. печ.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 2375.

Ангарская государственная техническая академия 665835, Ангарск, ул. Чайковского, 60