Огне- и теплозащитные сухие строительные смеси и изделия на гипсовом вяжущем

Гугучкина, Мария Юрьевна

Строительные материалы и изделия

автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Огне- и теплозащитные сухие строительные смеси и изделия на гипсовом вяжущем

кандидата технических наук: Гугучкина, Мария Юрьевна
город: Санкт-Петербург
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.23.05

Диссертация по строительству на тему «Огне- и теплозащитные сухие строительные смеси и изделия на гипсовом вяжущем»

Автореферат диссертации по теме "Огне- и теплозащитные сухие строительные смеси и изделия на гипсовом вяжущем"

На правах рукописи

ГУГУЧКИНА Мария Юрьевна

ОГНЕ- И ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ И ИЗДЕЛИЯ НА ГИПСОВОМ ВЯЖУЩЕМ

Специальность 05.23.05 - строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

005537130

Санкт-Петербург - 2013

005537130

Работа выполнена в ФГБОУ «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре строительных материалов и технологий.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, почетный

работник высшего профессионального образования РФ, член-корреспондент ПАНИ Тихонов Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: Сычева Анастасия Максимовна,

доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», кафедра инженерной химии и естествознания, доцент;

Панарин Сергей Николаевич

кандидат технических наук, заслуженный изобретатель РФ, ООО «Техноарм+», г. Санкт-Петербург, старший научный сотрудник

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский Университет государственной противопожарной службы МЧС России»

Защита диссертации состоится 3 декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72 Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан » Q^/flJ'tfy 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Обеспечение пожарной безопасности входит в число ключевых задач при строительстве и эксплуатации современных высотных зданий, деловых и промышленных комплексов. В строительстве широко используются тонкостенные железобетонные, армоцементные, фибробетонные, деревянные и металлические конструкции, предел огнестойкости которых не превышает 30 мин. По данным МЧС России за первое полугодие 2012 г. материальный ущерб от пожаров составил около 6,5 млрд рублей. В развитых странах от 2 до 4 % стоимости строительства идет на обеспечение пожарной безопасности.

Специфика современного строительства - рост этажности зданий и протяженности путей эвакуации диктует повышенные требования к пожарной безопасности используемых строительных материалов. Это нашло отражение в ужесточении норм законодательства в сфере пожарной безопасности. С 2008 г. действуют законы ФЗ № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» и ФЗ № 384-ФЭ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». С введением в действие этих технических регламентов появилась классификация строительных материалов по группам горючести - от КМО до КМ5. Негорючими являются только материалы класса КМО. Согласно новым регламентам эти материалы следует применять в вестибюлях, на лестничных клетках, лифтовых холлах, в зданиях более 17 этажей или 50 метров высотой, а также в зданиях детских дошкольных образовательных учреждений, театрах, клубах, музеях, вокзалах вне зависимости от этажности. В связи с этим, актуальной является проблема повышения пределов огнестойкости строительных конструкций за счет применения эффективных огнезащитных материалов. В качестве средств защиты от огня предлагаются огнезащитные штукатурки, пропитки, краски, обмазки, экраны. Некоторые из них дороги, другие не обеспечивают необходимого уровня огнезащитной эффективности. Данное исследование посвящено разработке новых огнезащитных композитов на основе гипсового вяжущего и особо легких заполнителей - вспученного вермикулита и перлита, а также минеральных волокон.

Работа выполнена при поддержке гранда молодым ученым от компании «Кна-уф» в 2011-2013 г., именной стипендии «Кнауф», а также по программе финансирования научно-исследовательской работы СПбГАСУ «Инновации в области применения строительных материалов», договор № 34 ТП-13.

Степень разработанности темы исследования. Вопросами технологии приготовления сухих строительных смесей занимаются ученые Баженов Ю.М., Большаков Э.Л., Зозуля П.В., Корнеев В.И., Кудяков А.И. и др. Исследованиями огне- и теплозащитных строительных растворов и жаростойких бетонов с применением легких заполнителей посвещены работы таких ученых, как Гедеонов П.П., Горлов Ю.П., Еремина Т.Ю., Кураев В.В., Масленникова М.Г., Москвин В.М., Некрасов К.Д., Пожнин А.П., Романенков И.Г., Сухарев М.Ф., Тихонов Ю.М., Хе-жев Т.А. Особенности поведения гипсового камня при нагревании описаны в работах Боженова П.И., Будникова П.П., Воробьева Х.С., Коровякова В.Ф., Меще-

рякова Ю.Г., Феррон-ской A.B., Хааса И., Хуммеля Х.-У. Изучением огнестойкости конструкций занимались Милованов А.Ф., Пчелинцев В.А., Ройтман В.М., Яковлев А.Н. и др. Разработке составов огне- и теплозащитных материалов по-свещены исследования ряда научно-исследовательских и проектных институтов -ЦНИИСК им. В. А.Кучеренко, Гипронинеметаллоруд, «Теплопроект», УралНИИ-стромпроект, ЛИСИ (СПбГАСУ), Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО),Цетральный научно-исследовательский инстшут материалов (ЦНИИМ). Проводились работы по созданию жаропрочных бетонов и обмазок на пуццолановом и глиноземистом цементах, жидком стекле, фосфатном связующем. В качестве микронаполнителей использовались тонкомолотый керамзит, вспученный перлит, шамот, бой диатомитового кирпича, кремнеземистые микросферы, зола-унос ТЭЦ и др. Для придания жаростойкости цементному камню в бетон вводились тонкомолотые добавки, содержащие аморфный кремнезем или глинозем. Особый интерес вызывает применение гипсового вяжущего в огнезащитных смесях. Благодаря своей экологично ста, технологичности применения (быстрота схватывания теста, его твердения), повышенной температуростойкости гипсового камня и малой энергозатратности производства, гипсовое вяжущее все чаще применяется для интерьерных работ. Применение этоговяжущего совместно со вспученными заполнителями, волокнистыми и минеральными добавками для огнезащиты строительных конструкций является недостаточно изученной темой.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования — разработка огне- и теплозащитных сухих строительных смесей (ССС) и экранов на их основе с применением гипсового вяжущего и легких минеральных заполнителей — вспученного вермикулита и перлита.

Объектам исследования являются огнезащитные ССС и экраны на их основе на гипсовом вяжущем, высокопористые заполнители; волокнистые наполнители для ССС, составы огне- и теплозащитных ССС на основе гипсового вяжущего.

Предметом исследования являются составы и свойства огнезащитных ССС и плиты (экраны) на их основе.

Задачи исследования:

1. Разработка огне- и теплозащитных составов для изготовления ССС и огнезащитных экранов с применением гипсового вяжущего, вспученного перлита и вермикулита со средней плотностью 450-750 кг/м3 и температурой применения до 1100 °С в течение 180 минут.

2. Исследование влияние соотношения вяжущего и заполнителей в ССС, волокнистых наполнителей, функциональных добавок на технические и огнезащитные свойства полученных составов.

3. Проведение высокотемпературных испытаний и выбор оптимальных составов ССС с лучшими показателями огнезащитной эффективности, теплопроводности, прочности, трещиностойкости.

4. Разработка рациональной технологии приготовления ССС и экранов оптимального состава с применением гипсового вяжущего.

Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области композиционных материалов с учетом современных тенденций в части ресурсо- и энергосбережения, проработка литературных данных, составление методических карт испытаний, математическое планирование экспериментов, разработка оригинальных методик подбора составов ССС, высокотемпературных испытаний, дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы. Физико-механические характеристики оценивались в соответствии с введенными в строй действующих современными нормативными документами на сухие строительные смеси на гипсовом вяжущем ГОСТ 31376-2008 «Смеси сухие строительные на гипсовом вяжущем. Методы испытаний», ГОСТ 31377-2008 «Смесь сухая штукатурная на гипсовом вяжущем. Технические условия».

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.05 - Строительные материалы и изделия, п. 7 «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности» и п.16. «Развитие теоретических основ и технологии получения сухих строительных смесей различного назначения».

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Впервые разработаны составы и исследованы свойства ССС на гипсовом вяжущем и легких заполнителях - вспученном вермикулите и перлите, обеспечивающие штукатурным растворам на их основе повышенную огнестойкость.

2. Проведенный подбор составов ССС с применением ряда негорючих волокнистых добавок (стекловолокно, каолиновая вата, волокна хризотил-асбеста, волокна базальтовой ваты) показал, что наибольшим коэффициентом конструктивного качества обладают составы с добавкой стекловолокна.

3. Впервые определена зависимость трещиностойкости, объемной усадки и остаточной прочности образцов ССС от содержания вспученных заполнителей -вермикулита и перлита после высокотемпературных испытаний на экспериментальной установке, развивающей температурный режим, приближенный к стандартному режиму печи ВНИИПО.

4. Установлена степень влияния скоростного перемешивания растворной смеси на ее свойства. Увеличение скорости перемешивания до 600 об/мин позволило увеличить коэффициента конструктивного качества в среднем на 7-10 %. Проведенный подбор функциональных добавок позволил уменьшить водопот-ребность, увеличить предел прочности при сжатии и изгибе и водоудерживаю-щую способность смесей.

5. Выявлено положительное влияние тонкодисперсных минеральных добавок (кембрийская глина, перлит-сырец, жидкое стекло) на повышение остаточной прочности огнезащитных ССС и экранов на их основе после высокотемпературных испытаний.

6. Изучено поведение фрагментов огнезащитных экранов на основе разработанных ССС в зависимости от их толщины и состава рои высокотемпературных испыаниях.

7. Подобрана технологическая схема приготовления огнезащитных ССС на гипсовом вяжущем, сделаны технико-экономические расчеты эффективности производства разработанных ССС.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Основные результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы в производстве ССС, а также экранов на их основе для огнезащиты тонкостенных фибробетонных, деревянных и армоцементных конструкций. Подобран оптимальный состав компонентов, функциональных и минеральных добавок с целью обеспечения высокой огнезащитной эффективности композитов. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПбГАСУ (дисциплина «Архитектурное материаловедение») и Санкт-Петербургского Университета государственной противопожарной службы МЧС России (дисциплина «Здания и сооружения и их устойчивость при пожаре», раздел «Строительные материалы, их пожарная опасность и поведение в условиях пожара».) Нанесение огнезащитной смеси оптимального состава на стеновую конструкцию производилось в учебном центре «КНАУФ Северо-Запад», г. Санкт-Петербург. Подана заявка на патентование изобретения «Сухая смесь огнезащитная».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и докладывались на научно-практических конференциях молодых исследователей и аспирантов СПбГАСУ в 2011, 2012 и 2013 гг.: на международном симпозиуме «Инновации в области применения гипса в строительстве», КНАУФ-МГСУ (2012 г.) (призовое место на конкурсе молодых исследователей, работающих в области гипсовых вяжущих); на международной научно-практической конференции, посвященной 180-летию СПбГАСУ в апреле 2012 г.; на III международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, в рамках выставки «Бетон. Цемент. Сухие смеси» 27—29 ноября 2012 г. в Москве, где был получен специальный приз «За исследование в области сухих строительных смесей». Основные результаты исследовательской работы рекомендуется использовать в производстве ССС и огнезащитных экранов на существующих технологических линиях предприятий.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 научных работах общим объемом 2,03 п .л., лично автором - 0,38 п. л., из них 2 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 151 страницу, в том числе 136 страниц основного текста, содержащего 36 таблиц, 41 рисунок, 15 страниц приложений. Список использованных источников содержит 143 наименования.

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, а также цель и задачи работы, их научная и практическая значимости.

В первой главе приведен анализ литературных данных по теме диссертации, включая теплофизические основы воздействия пожара на материалы и конструкции, сделан обзор современного рынка огнезащитных материалов;

Во второй главе описана методика проведения экспериментов и характеристика материалов, использовавшихся в работе, математическое планирование эксперимента.

В третьей главе описан подбор составов огнезащитных ССС, приведены результаты исследования технических свойств растворов.

В четвертой главе представлены результаты высокотемпературных испытаний фрагментов огнезащитных экранов на экспериментальной установке, а также выполнены технико-экономические расчеты эффективности производства разработанной огнезащитной ССС.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Разработаны составы и исследованы свойства ССС на гипсовом вяжущем и легких заполнителях - вспученном вермикулите и перлите, обеспечивающие штукатурным растворам на их основе повышенную огнестойкость.

Анализ литературных источников позволил выявить сырьевые материалы, которые обеспечат негорючесть и высокую температуростойкость композитов. Для достижения заданных параметров составов подбиралось оптимальное содержание компонентов и режимы приготовления растворов. Были подобраны эффективные функциональные волокнистые и минеральные добавки, улучшающие свойства растворов.

В качестве исходных материалов в работе применялись: гипсовое вяжущее марки Г6-АИ, рн = 950 кг/м3; вспученный вермикулит, ри = 140 кг/м3, (М 150), фр. 0,16-1,25 мм, \ = 0,07 Вт/(м-К), производство ЗАО «Слюдяная фабрика», г. Колпино, Санкт-Петербург; вспученный перлит, рн = 95 кг/мЗ (М 100) ,фр. 0,16-1,25 мм. Д = 0,05 Вт/(м-К), производства «КНАУФ ГИПС КОЛПИНО», Санкт-Петербург; стекловолокно, диаметр волокон 50 мкм, длина волокон 5-15 мм, рн = 2200-2500 кг/м3; базальтовое супертонкое штапельное волокно, рн = 23 кг/м3, теплопроводность 0,04 Вт/(м-К), средний диаметр волокон не более 3 мкм, ОАО «Мостермостекло»; хризотил-асбест распушенный, IV сорт, диаметр волокон 0,02-0,04 мкм, ри = 2600 кг/м3, «Завод асбестовых технических изделий», Санкт-Петербург; кембрийская глина, рн= 1200 кг/м3; перлит-сырец, рн = 1150 кг/м3, фр. 0,16-0,6 мм; жидкое натриевое стекло, ри= 1400 кг/м3,силикатный модуль ш = 3,5, ООО «Экохим СПб».

Каждый из компонентов вносит свой вклад в огнезащитную эффективность композита. Известно, что в гипсовом камне содержится 18-20 % кристаллизационной воды, на испарение которой расходуется часть энергии теплового потока. И пока вся вода не испарится, температура изделия не будет превышать 100-110 °С. Вспученный вермикулит и перлит являются огне- и биостойкими, нетоксичными и долговечными, имеют истинную пористость около 90 %. Сферическая форма зёрен перлита обеспечивает повышенную подвижность растворных смесей в срав-

нении с вермикулитсодержащими. В то же время, достоинством вермикулита является упругость его зерен и повышенная вибростойкость, что обеспечивает тре-щиностойкость строительных растворов с его применением.

С целью армирования композитов использовались негорючие волокнистые добавки - стекловолокно, асбест, базальтовая вата и каолиновая вата. Одной из проблем при тепловом воздействии является снижение адгезии растворов с основанием и их растрескивание при твердении. Ввод армирующих добавок способствует сохранению целостности матрицы. В качестве активных минеральных добавок, призванных сохранить прочность образцов ССС после высокотемпературного нагрева, применялись кембрийская глина, перлит-сырец и жидкое стекло. Для испытаний материалов были составлены методические карты испытаний.

В процессе теплопереноса большое значение имеет температуропроводность материала, которая прямо пропорциональна его теплопроводности X и обратно пропорциональна его объемной теплоемкости Ср0. Таким образом, для эффективной огнезащиты возможно использовать материалы не только с низкой теплопроводностью, но и с максимально высокой объемной теплоемкостью. В свою очередь теплопроводность материала зависит от средней плотности, истинной пористости, размера и характера пор, отражательной способности. Зерна вермикулита обладают высокой отражательной способностью, имеют малый коэффициент излучения, сравнимый с коэффициентом излучения алюминиевой фольги. При повышенных температурах теплопроводность вермикулита растет незначительно, поскольку материал относится с материалам, имеющим малый коэффициент излучения.

С целью обеспечения системного подхода к реализации поставленных задач, была разработана поэтапная схема научного исследования (рис. 1).

Оптимизация составов ССС, обеспечивающих наименьшую плотность при наибольшей прочности растворов выполнялась с использованием методов математического планирования в системе «состав-свойства». В качестве факторов рассматривалось содержание отдельных компонентов, в качестве параметров -средняя плотность растворов (У^ и предел прочности при сжатии (У2). Получены уравнения регрессии в кодированном виде:

У, = 656 - 61Х; - 26Х2 + 44Х3 - 19 Х^ - 18Х,Хз У2 = 3,28 - 0,58Х, - 0,25X2 +0,ЗЗХ3-0,ЗХ1Х2 - 0,2Х2Х3 Как следует из уравнений регрессии, наибольшее влияние на среднюю плотность растворов и предел прочности на сжатие оказывает содержание вспученного заполнителя и строительного гипса (факторы X! и Хз имеют наибольшие коэффициенты в уравнениях регрессии). Повышение доли вспученного компонента значительно уменьшает как среднюю плотность, так и прочность растворов. Увеличение содержания вяжущего приводит к росту прочности и средней плотности. Влияние содержания волокнистой добавки (фактор Хз) проявляется в меньшей степени. На основе исследований построены графики, отражающие зависимость прочности на сжатие (рис. 2) и средней плотности (рис. 3) от количества вспученного компонента и волокнистой добавки.

Рис. 1. Схема реализации задачи получения ССС повышенной температуростойкости

Предел прочности при СХЛІШ1.

ЬШ»4

Содержание СТЄКЛОВОЛОКШЛо

■ 4-5 я 2-4

■ 0-2

Кол-во вермпкул пта,°/о

750 650 550

2 >< Х'

4 ' 13,1 Содержание стекловолокна. ЯЬ 5

«750850 «650750 ■ 550650

Кол-во вермпкул іп;і.а. о

Средняя плотность.

Рис. 3. Предел прочности при сжатии растворов Рис. 2. Средняя плотность растворов в зависимости от содержания вспученного в зависимости от содержания вспученного вермикулита и волокнистой добавки вермикулита и волокнистой добавки

Исходя из результатов ма-

ІІСЖ

| тематического планирования

= эксперимента, определены оп-

4 I

3,5 с

I тимальные составы компози-

| тов, с учетом их физико-меха-| нических свойств (рис. 4): I соотношение гипсовое вяжу-

с.

I щее: вспученный заполнитель =

Е 1:1,5 по объему. Среднюю плотность 600-660 кг/м3 и прочность при сжатии 2,5—3,2 МПа имеют составы:

Зона оптимальных составов по соотношению гипс: вспученный вермикулит

содержание гипсового вяжущего (по массе) - 76-79 % содержание вспученного вермикулита - 18-21 %;

Рис. 4. Зависимость средней плотности и предела прочности при сжатии растворов от соотношения гипс: вспученный вермикулит

содержание волокна-2-3 %.

'о.

Проводились исследования влияния различных волокнистых добавок на свойства смесей. Волокна создают армирующий каркас, который необходим для поддержания прочности растворов, в том числе и после высокотемпературных воздействий. Все использованные волокна являются негорючими и имеют высокие температуры применения не менее 1100 °С.

Исследования показали, что добавка стекловолокна и асбеста способствует увеличению прочности образцов при изгибе как на вермикулите, так и на перлите (рис. 6). Прирост предела прочности при изгибе с добавкой стекловолокна составил 18 % по сравнению с контрольным образцом. Кроме этого, образцы с добавкой стекловолокна оказались наиболее прочным после испытания в печи. Наилучшие показатели KICK (отношения предела прочности к средней плотности) получены у составов с добавкой стекловолокна. При этом уменьшилась средняя плотность образцов (на 14,2 % у образцов с добавкой стекловолокна, на 10 % у образцов с добавкой асбеста).

3. Впервые определена зависимость трещиностойкости, объемной усадки и остаточной прочности образцов ССС от содержания вспученных заполнителей - вермикулита и перлита после высокотемпературных испытаний на экспериментальной установке, развивающей температурный режим, приближенный к стандартному режиму печи ВНИИПО).

Дальнейшая оптимизация составов ССС проводилась с учетом результатов высокотемпературных испытаний. Общие требования к методам испытаний строительных конструкций на огнестойкость представлены в ГОСТ 30247.0-94 «Кон-

Средняя плотность ja/мЗ

800 700 600 500 400 300 200 100 О

Предел прочности на ішнб. МПа 2,5

■ Средняя плотность штукатурных смесей со вспуч. вермикулитом

Средняя плотность штукатурных смесей со вспуч. перлитом

Рис. 5. Зависимость средней плотности образцов от вида волокнистой добавки

■ Предел прочности при изгибе образцов смесей с вемикулнгов

Предел прочности при шгнбе образцов смесей с перлитом

Рис. 6. Зависимость предела прочности при изгибе образцов от вида волокнистой добавки

струкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования». В лабораторной печи марки «Тулячка» 10П с программным управлением был выбран температурный режим испытаний, приближенный к стандартному температурному режиму печи ВНИИПО. В течение 180 минут температура печи достигала 1100 °С, при этом резкий подъем температуры до 800 °С достигался в течение первых 40 минут (рис. 7).

Начальные испыта-

Температура,0 С

ния показали, что растворы с применением вспученного перлита имеют меньшую среднюю плотность, дают более пластичное тесто, требуют меньше воды затворения в сравнении с вермикулитосодержа-щими. Но после воздействия высоких температур изделия покрываются трещинами, так как вспученный перлит начинает зазмягчаться при

1200 1000 800 600 400 200 0

Т - То = 345 lg(8t+ 1), °С

Время, мин

Рис. 7. Температурные кривые испытаний 11

800-900 °С, что приводит к значительным усадочным деформациям. Образцы с применением в качестве заполнителя вспученного вермикулита лучше противостоят высокотемпературному воздействию, так как зерна вермикулита в силу своей упругости демпфируют, воспринимают внутренние напряжения. Как показали наши исследования, у вермикулитовых образцов вдвое меньше огневая усадка, чем у перлитовых (табл. 1). В связи с этим, были проведены исследования с применением смешанного пористого заполнителя (смеси вспученного вермикулита и вспученного перлита).

Таблица 1

Свойства растворов ССС с применением вспученного вермикулита и перлита

№ п/п Состав, по объему (гипс: вермикулит: перлит) Свойства раствора Свойства образцов после высокотемпературных воздействий

Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Объемная усадка, %

1 Г В П= 1:1,25:0,25 690 3.1 620 0,78 13

2 Г В П = 1:1:0,5 670 3,8 610 0,74 16

3 г В П= 1:0,75:0,75 650 2,7 570 0,55 17

4 г В П = 1:0,5:1 630 2,0 530 0,38 20

5 Г : В : П= 1:0,25:1,25 600 2,0 490 0,36 27 трещины

Совместное применение двух видов вспученных заполнителей позволило увеличить остаточную прочность образцов после высокотемпературного воздействия более, чем в два раза (рис. 8).

Обьемнаяусадкя

Предел прочности послео&нігз.п

Рис. 8. Зависимость предела прочности при Рис. 9. Зависимость объемной усадки

сжатии после высокотемпературных испытаний после высокотемпературных испытаний от

от состава ССС состава ССС

Как видно из диаграмм, рост содержания вермикулита позволяет снизить усадочные деформации после обжига с 27 до 13 % от первоначального объема (рис. 9). В то время как перлитовые образцы дают усадку около 25-30 % и трещины. Прослеживается тенденция к росту остаточной прочности после обжига с увеличением содержания вермикулита.

Высокотемпературные испытания показали, что оптимальными составами по соотношению заполнителей являются составы, где соотношения (по объему) Г:В:П = 1:1:0,5 и Г:В:П = 1:0,75:0,75.

4. Установлена степень влияния скоростного перемешивания растворной смеси на ее свойства. Увеличение скорости перемешивания до 600 об/мин позволило увеличить коэффициент конструктивного качества ССС в среднем на 7-10 %. Применение функциональных добавок позволило уменьшить во-допотребность, увеличить предел прочности при сжатии и изгибе и водоудер-живающую способность смесей.

Исследования предшественников доказали, что аэрирование растворов благотворно сказывается на их технических характеристиках. В данной работе исследовалось влияния скорости перемешивания на среднюю плотность и прочность на образцах состава гипс: заполнитель = 1:1,5 по объему. Для поризации применялась воздухововлекающая добавка ЗШроп ЯЫ8018 в количестве 0,02 % от массы вяжущего (табл. 2).

Таблица 2

Влияние аэрирования на свойства тепло- и огнезащитных ССС

Состав Гипс: вермикулит вспучен.= 1:1,5 + 0,02% БЙфОП 0818+стекловолокио 2% Гипс: перлит вспучен. - 1:1,5 +0,02% вШроп 0818+стекловолокно 2%

Скорость перемешивания 60 об/мин

Средняя плотность, кг/м3 700 650

Предел прочности при сжатии, МПа 2,8 2,6

Скорость перемешивания 240 об/мин

Средняя плотность, кг/м3 640 580

Предел прочности при сжатии, МПа 2,6 2,3

Скорость перемешивания 600 об/мин

Средняя плотность, кг/м3 550 520

Предел прочности при сжатии, МПа 2.4 2,2

Снижение средней плотности при перемешивании со скоростью 600 об/мин составило около 20 % от плотности при перемешивании со скоростью 60 об/мин за счет активного воздухововлечения в растворную смесь.

Для модификации свойств гипсового теста применялись модифицирующие добавки - адгезив - редиспергируемый порошок (Утпараэ 5010Ы), 1-2 %; замедлитель схватывания (винная кислота), 0,05-0,1 %; загуститель (АткгоШ 8882),

0,1 %; порообразовагель (Silipon 1880), 0,02 %; водоудерживающая добавка эфира целлюлозы (Mecellose FMC 7150), 0,1-0,15 %. Их влияние отражено в табл. 3.

Таблица 3

Влияние функциональных добавок на свойства ССС

Свойство /состав Гипс:вермикулит:перлит = 1:1:0,5, без добавок Гипс: вермикулит: перлт= 1:1:0,5 с добавками

Водопотребность (В/Г отношение) 1 0,8

Подвижность (расплыв конуса мм) 160 163

Время начала схватывания, мин 10 45

Предел прочности при сжатии, МПа 2,8 3,1

Предел прочности при изгибе, МПа 1,6 1,7

Средняя плотность, кг/м3 690 630

Водоудерживающая способность 93% 97%

Применение функциональных добавок позволило улучшить свойства растворной смеси. Отмечено снижение водопотребности на 20 % при той же подвижности, увеличение сроков схватывания до 45 мин, увеличение пределов прочности при сжатии и изгибе на 8—10 %, уменьшение средней плотности на 9 %.

Проводилось исследование влияние активных минеральных добавок — кембрийской глины, жидкого стекла и перлита-сырца на огнезащитные свойства пер-лито-вермикулитовых штукатурных растворов. Указанные добавки призваны повысить остаточную прочность образцов после испытания в печи, а также улучшить формуемость растворных смесей. Известно, что свободная известь (СаО), которая образуется при воздействии температур из карбоната и сульфата кальция, при пожаре гасится водой с увеличением в объеме. Перлит-сырец, который на 70-75 % состоит из аморфного кремнезема 8Ю2, является активным составляющим композита. При температуре / = 750—900 °С начинаются процессы химического связывания оксида кальция с тонкомолотыми добавками в результате твердофазных реакций. Химический состав кембрийской глины (табл. 4) свидетельствует о повышенном содержании оксидов алюминия, железа и щелочных металлов, что объясняет сравнительно низкую температуру начала спекания глины — 800 °С. Эти факторы способствуют сохранению остаточной прочности образцов после высокотемпературного воздействия.

Таблица 4

Химический состав активных минеральных добавок

Добавка Химический состав, % по массе

Кембрийская глина эю2 аі2о3 СаО 80, к2о ш20

59,9 17,6 7,61 0,26 2,97 0,93 5,36 0,14

Перлит -сырец 5Ю2 аі2о3 са0+м§0 ре203+ре0 к20+№20 н2о

72,3 15 1,4 2,5 5,7 5,1

Жидкое стекло Ыа20-3,5 ЗЮ2

В рамках научного исследования были проведены дифференциально-термический (ДТА) и рентгенофазовый анализ (РФА). ДТА образцов проводили в воздушной среде на дериватографе <3-1500 фирмы «РаиПк-РаиНк-Егс1ау» в интерва-

111, °0

25.00

111. °,о 25.00

20.00

15.00

10,00

10.00

0.00

200 400 600 800 1000 Температура, °с

0.00

200 400 600 800 1000 Температура, °С

Рис. 10. Термограмма гипсового камня Рис. 11. Термограмма гипсового камня

с добавкой перлита-сырца с добавкой кембрийской глины

В интервале температур 140-150 °С двуводный гипс дегидратирует до полуводного гипса, потеря в массе - 18,6 % (1-й эндоэффект). При повышении температуры до 180-190 °С наблюдается переход полугидрата в растворимый ангидрит - потеря в массе 6,2 %. Суммарное удаление воды около 25 %. В интервале температур 340-400 °С образуется нерастворимый ангидрит (3-й эндоэффект). Притемпературах 750-900 °С предположительно происходит частичная диссоциация сернокислого кальция с появлением свободной извести, а также возможно связывание оксида кальция активными добавками. ДТА не выявил появление новых веществ в присутствии минеральных добавок, поэтому для дальнейшего исследования возможных кристаллических новообразований был проведен РФА.

РФА образцов методом порошковой дифракции было проведено на рентгеновском дифрактометре ДРОН-7.

120-,

образец № 2

60 70

2Theta,rpafl.

■U^*»—у'и V »wA у. ^

90 100

образец №3

Рис. 12. Дифрактограмма состава (гипс:

40 50 60 70 80 90 100

2ТЬе1а,град.

Рис. 13. Дифрактограмма состава (гипс:

вермикулит=1:1,5+20 % кембрийская глина) вермикулит=1:1,5+ 20 % перлит-сырец) после после высокотемпературных испытаний высокотемпературных испытаний

Наибольший интерес представляют образцы с добавкой кембрийской глины и перлита-сырца (рис. 12 и 13). В присутствии добавки перлита после воздействия температуры 1100 °С идентифицирован минерал волластонит (27,52 %). В образцах с добавкой кембрийской глины обнаружен продукт спекания глины -муллит (15,32 %). Добавление кембрийской глины и перлита-сырца в ССС повысило остаточную прочность на 15-18 % по сравнению с образцами без добавок. Оксид кальция не обнаружен.

6. Изучено поведение фрагментов огнезащитных экранов на основе разработанных ССС в зависимости от их толщины и состава на экспериментальной установке, обеспечивающей рост температуры до 1100 °С в течение 180 мин.

Исследовались гипсо-перлито-вермикулитовые фрагменты огнезащитных экранов размером 18x20 см с применением вспученных заполнителей и волокнистых добавок. Высокотемпературные испытания фрагментов экранов проводились в лабораторной печи по режиму, приближенному к режиму ВНИИПО на экспериментальной установке (рис. 14). Определялась температура на внешней

Рис. 14. Установка по определению температуростойкости экранов с микропроцессорным измерителем температуры ОВЕН 2ТРМО-Щ1.У

Температура, 1200

'С

1000 S00 600 400 200 0

стороне образца и фиксировалось появление трещин до достижения температуры 220 °С .

В начале проводились испытания фрагментов гипсового сердечника и гипсо-вермикулитово-го экрана толщиной 20 мм для определения степени влияния добавки вермикулита на огнезащитные свойства экранов (рис. 15). Температура на внешней от огня стороне гипсо-вермикули-товой панели не превысила 220 °С в течение 180 минут и сохранила целостность (рис. 17).

Гипсовые листы различных размеров и толщины получили широкое распространение в качестве отделочного материала. Гипсовый камень сам по себе является огнестойким материалом. Но процесс испарения воды вызывает значительную усадку гипсовых листов, в результате которой образуются трещины, вследствие чего наступает предел огнестойкости конструкции (рис. 16).

90 120 Время. МІШ

Рис. 15. Температурные кривые: 1 - темпераіурная кривая ВНИИПО, 2 - температурная кривая муфельной печи, 3 - температурная кривая гипсовой плиты, 4 - температурная кривая фрагмента гипсо-вермикулитового экрана

Рис. 16. Фрагмент гипсового сердечника Рис. 17. Фрагмент гипсо-вермикулитового экрана толщиной 20 мм после нагрева до 1100 °С толщиной 20 мм после нагрева до 1100 °С

Далее были проведены высокотемпературные испытания фрагментов гипсо-перлитовых и гипсо-вермикулитовых экранов различной толщины.

Как видно из графиков подъема температуры на необогреваемой стороне (рис. 18) время, в течение которого температура на внешней от печи стороне не превысила 220 °С - от 120 до 180 мин при толщине экрана от 10 до 25 мм. Этот показатель ниже, чем при тех же условиях у гипсо-вермикулитовых образцов.

Высокотемпературные испытания показали, что температура на внешней от жерла печи стороне гипсо-вермикулитовых экранов толщиной 20 мм не превышает 180 °С (рис. 19).

Рис. 18. Температурные кривые гипсо-перли- Рис. 19. Температурные кривые гипсо-верми-товых экранов. Сверху вниз: 1 - стандартная кулитовых экранов. Сверху вниз: 1 - темпера-

кривая температуры ВНИИПО, 2 - кривая турная кривая печи ВНИИПО; 2 - темпера-температуры печи; 3,4,5,6 - кривые темперагу- турная кривая лабораторной печи; 3,4,5,6 -ры гипсо-перлитовых экранов толщиной: температурные кривые гипсо-вермикулито-3-10 мм, 4-15 мм, 5-20 мм, 6 -25 мм вых экранов толщиной: 2-10 мм, 3-15 мм,

4-20 мм, 5 - 25 мм

7. Подобрана технологическая схема производства огнезащитных ССС на гипсовом вяжущем, выполнено технико-экономическое обоснование эффективности производства разработанных ССС.

Температура,0 С 1140

1060 980 900 820

740 660 580 500 420 340 260 180 100 20

0 30 60 90 120 150 180 Время, мин

Температура,0 С 1140 1060 980 900 820 740 660 580 .500 420 340 260 180 100 20

30 60 90 120 150 180 Время, мин

5 6 і

Рис. 20. Технологическая схема изготовления ССС повышенной огнестойкости: 1 - склад строительного гипса, 2, 4, 16 -шнек, 3, 15 - элеватор, 5 - вибросито, 6 -бункеры строительного гипса, 7 - склад вспученного вермикулита, 8 - слад вспученного перлита, 9 - дозаторы, 10 -бункеры добавок, 11 - конвеер с вертикальным бункером, 12 - смеситель, 13,16 - бункер, 17 - упаковочная машина, 18 - приемный стол

Подобрана технологическая схема производства огнезащитных ССС с учетом опыта современных заводов (рис. 20).

Рекомендуется также схема производства огнезащитных плит (экранов), которая приведена в диссертации.

Для определения экономической целесообразности производства разработанной огнезащитной ССС были выполнены предварительные расчёты себестоимости и отпускной цены данного продукта. Себестоимость ССС с учетом производства на существующей технологической линии ООО "КЖБИ-211" составила 11083 руб/т. Отпускная цена с учетом рентабельности 7 % и НДС 18 % составила 14072 руб/т. В сравнении с ценами огнезащитных штукатурных смесей-аналогов, цена разработанной ССС вдвое ниже.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые разработаны составы и исследованы свойства ССС с применением гипсового вяжущего, вспученного вермикулита и перлита, волокнистых минеральных наполнителей, минеральных добавок (глины, перлита-сырца, жидкого стекла), обеспечивающие штукатурным растворам на их основе повышенную огнестойкость;

2. Применяя метод математического планирования эксперимента, подобраны ССС с оптимальным соотношением гипсового вяжущего и вспученного заполнителя (смеси вермикулита и перлита) Г:3 = 1:1,5 (по объему), которое обеспечивает среднюю плотность 600-700 кг/м3 при пределе прочности на сжатие 2,5-3,2 МПа. Оптимальное количество волокнистой добавки - 2-3 %;

3. Проведены высокотемпературные испытания образов растворов ССС в лабораторной печи по режиму, приближенному к режиму печи ВНИИПО, при котором температура достигает 1100 °С в течение 180 минут. Установлено, что совместное применение вспученного вермикулита и перлита позволяет вдвое снизить усадочные деформации образцов при высокотемпературном воздействии. При этом у образцов отсутствуют видимые трещины. Оптимальными по соотношению вспученных заполнителей являются составы ССС, где соотношение пористых заполнителей (по объему) Г:В:П = 1:1:0,5 и 1:0,75:0,75;

4. Проведенный подбор составов ССС при разном процентном содержании волокнистого наполнителя (стекловолокно, волокна каменной ваты, распушенный хризотил-асбест, распушенная каолиновая вата), показал, что оптимальным является использование стекловолокна. Его применение обеспечивает наивысший ККК;

5. За счет введения функциональных добавок (суммарно до 1,5 % от массы вяжущего) улучшена подвижность, адгезия, увеличены сроки схватывания до 45 мин.). Технические характеристики полученных растворных смесей соответствуют ГОСТ 31377-2008 «Смеси сухие строительные штукатурные на гипсовом вяжущем. Технические условия»;

6. Скоростное перемешивание в миксере (600 об/мин) в присутствии воздухо-вовлекающей добавки позволило увеличить выход растворной смеси на 15—20 %

по сравнению с приготовлением растворной смеси в смесителе (60 об/мин), что связано с обильным воздухововлечением. Рост коэффициента конструктивного качества составил в среднем 7-10 %;

7. Исследовано влияние активных минеральных добавок - кембрийской глины и перлита-сырца на остаточную прочность образцов после высокотемпературного воздействия. За счет добавок снизились усадочные деформации, повысилась остаточная прочность до 18 % за счет образования волластонита и муллита, что отмечено а рентгенограммах;

8. Проведены испытания на горючесть образцов ССС в аккредитованной лаборатории «МЧС - ТЕСТ-Северо-Запад». По результатам испытаний представленные образцы ССС признаны негорючими (НГ), то есть они не воспламеняются, не образуют дыма, не выделяют токсичных продуктов.

9. Высокотемпературные испытания фрагментов гипсо- вермикулитовых огнезащитных экранов размером 18x20 см и толщиной 20 мм, выполненных на основе разработанных ССС, подтвердили их высокую огнезащитную эффективность. В течение трех часов испытаний (максимальная температура 1100 °С) температура на противоположной от печи стороне экрана не превысила 180 °С без образования видимых трещин.

10. Технико-экономические расчеты доказали эффективность производства разработанных ССС (цена разработанной гипсо-перлито-вермикулитовой ССС ниже огнезащитных смесей-аналогов).

III. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ: публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Гугучкина, М.Ю. К вопросу об огнестойкости гипсосодержащих материалов / Тихонов Ю.М., Гугучкина М.Ю Л Вестник гражданских инженеров. - 2012 г. -№1(30). - с 168-171- 0,25 п.л.

2. Гугучкина, М.Ю. О влиянии компонентов смесей на гипсовом вяжущем на их огнестойкость / Гугучкина М.Ю. Тихонов Ю.М., Стожаров В.М.// Вестник гражданских инженеров. - 2013г. —№4(39) с.162 - 166- 0,32 п.л. публикации в других изданиях:

3. Гугучкина, М.Ю. К вопросу повышения огнестойкости гипсосодержащих материалов. / Гугучкина М.Ю., Никитина Ю.Н. // Актуальные проблемы современного строительства: Сб. трудов 64-й междунар. научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов, посвященной 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова. СПбГАСУ - СПб. - 2011г -с. 120-122-0,19 п.л.

4. Гугучкина, М.Ю. Композиции на гипсовом вяжущем для тепло- и огнезащиты строительных конструкций / Гугучкина М.Ю., Тихонов Ю.М., Карелин A.B. // Инновации в области применения гипса в строительстве: сборник тезисов докладов международного симпозиума (31 мая - 01 июня 2012г.)/ ФГБОУВПО «Московский государственный строительный университет». Группа КНАУФ СНГ. М.: ООО «Аделант», 2012,—с. 19- 23- 0,32 п.л.

5. Гугучкина, М.Ю. Огне- и теплозащитные материалы с применением гипсового вяжущего / Гугучкина М.Ю., Тихонов Ю.М.// Актуальные проблемы современного строительства и пути их эффективного решения: материалы Международной научно-практической конференции. 10-12 октября 2012 г. /под общей редакцией А.Н. Егорова, А.Г. Черных; СПбГАСУ. - В 2. Ч.И. - СПб., 2012. -с. 28-33- 0,38 п.л.

6. Гугучкина, М. Ю. Сухие строительные смеси на гипсовом вяжущем повышенной огнестойкости / Гугучкина М. Ю.// III международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов. СПб.: Издательство «АлитИнформ», 2012.-с44-49-0,38 п.л.

7. Гугучкина, М.Ю. Факторы, определяющие огнестойкость вермикулито-перлитовых штукатурных растворов. / Гугучкина М.Ю., Тихонов Ю.М., A.B. Карелин// Актуальные проблемы строительства и архитектуры: Сборник материалов международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов. Часть II. СПбГАСУ: - СПб. - 2012г. - с 133-1350,19 п.л.

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 25.10.13. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 143. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

Текст работы Гугучкина, Мария Юрьевна, диссертация по теме Строительные материалы и изделия

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный

университет»

На правах рукописи

04201 451 405

Гугучкина Мария Юрьевна

Огне- и теплозащитные сухие строительные смеси и изделия на гипсовом вяжущем

Специальность 05.23.05- Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: почетный работник высшего профессионального образования РФ, член-корреспондент ПАНИ, доктор технических наук, профессор Тихонов Ю.М.

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Введение....................................................................................................................................................................5

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Теплофизические основы воздействия пожара на строительные материалы..............................................................................................................................................................12

1.2. Анализ результатов исследования огне- и теплозащитных материалов............................................................................................................................................................19

1.3. Материалы для огнезащиты строительных конструкций, 24 применяемые в современном строительстве.....................................

1.4. Особенности сухих строительных смесей (ССС) на гипсовом вяжущем....................................................................................................................................................................32

1.5. Основные направления реализации задачи получения композитов 33 повышенной температуростойкости..........................................

Выводы.................................................................................... 39

Глава 2. Методика проведения экспериментов и характеристика материалов, использовавшихся в работе, математическое планирование эксперимента

2.1. Методика проведения экспериментов и оборудование.................... 41

2.1.1. Методы испытаний и оборудование..............................................................................41

2.1.2. Дифференциально-термический и рентгенофазовый анализ..................47

2.1.3. Высокотемпературные испытания ССС и экранов. Испытания на горючесть................................................................................................................................................................49

2.2. Характеристика и исследование свойств материалов, использовавшихся в работе..................................................................................................................53

2.3. Планирование эксперимента, обработка результатов исследования 67 системы «состав— свойства»

Выводы......................................................................................................................................................................75

Глава 3. Подбор составов и исследование свойств огнезащитных ССС на гипсовом вяжущем

3.1. Подбор составов и исследование свойств ССС со смешанным 77 заполнителем

3.2. Исследование влияния волокнистых добавок на свойства ССС............85

3.^Изучение влияния аэрирования на свойства ССС..................................................88

3.4. Подбор модифицирующих добавок для ССС..............................................................90

Выводы.................................................................................... 94

Глава 4. Высокотемпературные испытания фрагментов огнезащитных экранов и технико-экономические расчеты 4.1. Состав и свойства огнезащитных экранов на гипсовом вяжущем.... 97 4.1.1. Поведение огнезащитных экранов при высокотемпературных испытаниях. Испытание на горючесть......................................................................................97

4.1.2. Исследование влияния активных минеральных добавок на температуростойкость огнезащитных экранов и штукатурных 104

растворов................................................................................

4.2. Технологические схемы производства огнезащитных ССС и

экранов..................................................................................................................................................................112

4.3.Технико-экономические расчеты производства огнезащитных 115

штукатурных ССС...................................................................

Выводы....................................................................................................................................................................117

Заключение..............................................................................................................................................118

Список использованной литературы....................................................................................120

Приложение 1. Акт о внедрении в учебный процесс Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России результатов диссертационного исследования

............................................................................................. 137

Приложение 2. Протокол №039-06-2013 испытаний по определению 138

параметров горючести экспериментальной огнезащитной ССС............

Приложение 3. Акт апробации экспериментальной ССС на базе 143 учебного центра КНАУФ............................................................

Приложение 4. Результаты патентного поиска.................................. 144

Приложение 5. Письмо д-ра Г. Ленга о присуждении именной 148

стипендии КНАУФ.................................................................

Приложение 6. Письмо начальнику ФГБУПТЦ ФПС СЗРЦ 149

полковнику А.И. Максимову.......................................................

Приложение 7. Диплом победителю конкурса молодых исследователей 150 Приложение 8. Диплом III международного семинара-конкурса 151 молодых ученых и аспирантов....................................................

Введение

Актуальность темы диссертационного исследования. Современный уровень развития строительства требует обеспечения соответствующего уровня безопасности. Пожары являются причиной огромного ущерба - гибели людей, травматизма, материальных потерь.

По данным МЧС России за период с января по июнь 2012 г. произошло 80234 пожаров, прямой материальный ущерб от которых составил 6576231 тыс. руб. За полгода в результате пожаров погибло 6124 человек и пострадало 6505 человек. [110] Согласно отчету международной ассоциация Исследования Страховой Экономики за 2011 год, в развитых странах от 2,5 до 4% от стоимости здания идет на противопожарную защиту. [143]

В России существует законодательная база по пожарной безопасности, разработаны противопожарные правила и технические регламенты. МЧС РФ разработало законопроект "Об обязательном страховании гражданской ответственности за причинение вреда в результате пожара". Согласно этому Законопроекту размер противопожарной страховки и страховых премий напрямую будет зависеть от выбранных методов противопожарной защиты. Все это диктует повышенные требования к пожарной безопасности зданий и сооружений и используемых в них материалам.

В строительстве широко используются тонкостенные железобетонные, армоцементные, фибробетонные, деревянные конструкции, предел огнестойкости которых не превышает 30-40 мин [104]. В качестве средств защиты от огня предлагаются антипирены, огнезащитные штукатурки, пропитки, краски, обмазки, экраны. Некоторые из них дороги, другие не обеспечивают необходимого уровня огнезащитной эффективности. Данное исследование посвящено разработке новых недорогих сухих строительных смесей на основе особо легких заполнителей - вспученного вермикулита и перлита.

И вспученный вермикулит, и перлит являются универсальными легкими заполнителями для сухих строительных смесей.

В качестве вяжущего для композитов использовано гипсовое вяжущее невысоких марок (Г4-Г6АН), около половины запасов которого находится в России. [20] С точки зрения санитарно-гигиенических параметров для отделки помещения, гипсовое вяжущее является более экологически чистым, чем цементное, а поверхности, покрытые им, являются паропроницаемыми. Производство гипсовых вяжущих менее энергозатратно, чем производства цемента. Объем выбросов СО2 в атмосферу от производства цемента составляет около 4% мировых выбросов СО2 в то время, как эмиссии С02 от производства гипса значительно меньше. [40] Гипсовые вяжущие в отличие от цементных не дают усадки и не образуют трещин.

Работа выполнена при поддержке гранда молодым ученым от компании «Кнауф» в 2011-2013 г, именной стипендии «Кнауф» (Прил. 5), а также по программе финансирования научно-исследовательской работы СПбГАСУ «Инновации в области применения строительных материалов», дог. № 34 ТП-13.

Степень разработанности темы исследования Вопросами технологии приготовления сухих строительных смесей занимались ученые Баженов Ю.М., Большаков Э.В., Зозуля П. В. Корнеев В.И., Кудяков А.И. и др. Исследования огне- и теплозащитных строительных растворов и жаростойких бетонов с применением легких заполнителей занимались такие ученые, как Гедеонов П.П., Горлов Ю.П., Еремина Т.Ю., Кураев В.В., Масленникова М.Г., Москвин В.М., Некрасов К.Д., Пожнин А.П., Романенков И.Г., Сухарев М.Ф., Тихонов Ю.М., Хежев Т.А. и др. Особенности поведения гипсовых вяжущих описаны в работах Будникова П.П., Воробьева Х.С., Коровякова В.Ф., Мещерякова Ю.Г., Ферронской A.B., Хааса И., Хуммеля Х.-У. Изучением огнестойкости конструкций занимались Милованов А.Ф., Пчелинцев В.А., Ройтман В.М., Яковлев А.Н. Проводились работы по созданию жаропрочных бетонов и обмазок на пуццолановом цементе, глиноземистом цементе, жидком стекле, фосфатном

связующем. В качестве микронаполнителей использовались тонкомолотый керамзит, вспученный перлит, шамот, бой диатомитового кирпича, кремнеземистые микросферы, зола-унос ТЭЦ и др. Для придания жаростойкости цементному камню в бетон вводились тонкомолотые добавки, содержащие аморфный кремнезем или глинозем. Особый интерес вызывает применение гипсового вяжущего в огнезащитных смесях. Благодаря своей экологичности, технологичности применения (быстрота схватывания теста, его твердения), повышенной температуростойкости гипсового камня и малой энергозатратности производства, гипсовое вяжущее широко применяется для интерьерных работ. Его применение совместно со вспученными заполнителями, волокнистыми и минеральными добавками для огнезащиты строительных конструкций является недостаточно изученной темой.

Цель и задачи исследования:

Цель исследования - разработка огне- и теплозащитных сухих строительных смесей (ССС) и экранов на их основе с применением гипсового вяжущего и легких заполнителей - вспученного вермикулита и перлита.

Объектом исследования являются огнезащитные ССС и экраны на их основе на гипсовом вяжущем, высокопористые заполнители; волокнистые наполнители для ССС, составы огне- и теплозащитных ССС на основе гипсового вяжущего.

Предметом исследования являются составы и свойства огнезащитных ССС и экранов на их основе.

Задачи исследования:

1. Разработка составов огне- и теплозащитных составов для изготовления ССС и огнезащитных экранов с применением гипсового вяжущего, вспученного перлита и вермикулита со средней плотностью 450 - 750 кг/м3 и температурой применения до 1100°С в течение 180 минут;

2. Исследование влияние соотношения вяжущего и заполнителей в ССС, волокнистых, функциональных добавок на технические и огнезащитные свойства полученных составов;

Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области композиционных материалов с учетом современных тенденций в части ресурсо- и энергосбережения, проработка литературных данных, составление методических карт испытаний, математическое планирование экспериментов, разработка оригинальных методик подбора составов ССС, высокотемпературных испытаний, рентгенофазовый анализ, дифференциально-термический анализ. Физико-механические характеристики оценивались в соответствии с введенными в строй действующих современными нормативными документами на сухие строительные смеси на гипсовом вяжущем ГОСТ 31377-2008, ГОСТ 31376-2008.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.05 - Строительные материалы и изделия, п. 7 «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности» и п. 16. «Развитие теоретических основ и технологии получения сухих строительных смесей различного назначения».

Научная новизна.

2. Проведенный подбор составов ССС с применением ряда негорючих волокнистых добавок (стекловолокно, каолиновая вата, волокна хризотил-асбеста,

волокна базальтовой ваты) показал, что наибольшим коэффициентом конструктивного качества обладают составы с добавкой стекловолокна.

3. Впервые определена зависимость трещиностойкости, объемной усадки и остаточной прочности образцов ССС от содержания вспученных заполнителей - вермикулита и перлита после высокотемпературных испытаний на экспериментальной установке, развивающей температурный режим, приближенный к стандартному режиму печи ВНИИПО.

4. Установлена степень влияния скоростного перемешивания растворной смеси на ее свойства. Увеличение скорости перемешивания до 600 об/мин позволило увеличить коэффициента конструктивного качества в среднем на 710%. Проведенный подбор функциональных добавок позволил уменьшить водопотребность, увеличить предел прочности при сжатии и изгибе и водоудерживающую способность смесей.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Основные результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы в производстве ССС, а также экранов на их основе для огнезащиты тонкостенных фибробетонных, деревянных и армоцементных конструкций. Подобран оптимальный состав компонентов, функциональных и минеральных

добавок с целью обеспечения высокой огнезащитной эффективности композитов. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПбГАСУ (дисциплина «Архитектурное материаловедение») и Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС России (Приложение 1), дисциплина «Здания и сооружения и их устойчивость при пожаре», раздел «Строительные материалы, их пожарная опасность и поведение в условиях пожара». Нанесение огнезащитной смеси оптимального состава на стеновую конструкцию производилось в учебном центре «КНАУФ Северо-Запад», г. Санкт-Петербург (Приложение 3). Подана заявка на патентование изобретения «Сухая смесь огнезащитная».

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 научных работах общим объемом 1,67 п.л., лично автором - 0,3 пл., из них 2 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и докладывались на научно-практических конференциях молодых исследователей и аспирантов в 2011, 2012 и 2013 гг: на международном симпозиуме «Инновации в области применения гипса в строительстве», КНАУФ-МГСУ (2012 г) (призовое место на конкурсе молодых исследователей, работающих в области гипсовых вяжущих - (Приложение 7); на международной научно-практической конференции, посвященной 180-летию СПбГАСУ в апреле 2012 г.; на III международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, в рамках выставки «Бетон. Цемент. Сухие смеси» 27-29 ноября 2012 г. в Москве, где был получен специальный приз «За исследование в области сухих строительных смесей» (Приложение 8). Основные результаты исследовательской работы рекомендуется использовать в производстве ССС и огнезащитных экранов на существующих технологических линиях предприятий.

страниц основного текста, содержащего 36 таблиц, 41 рисунок, 15 страниц приложений. Список использованных источников содержит 143 наименования.

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, их научная и практическая значимости.

Во второй главе описана методика проведения экспериментов и характеристика материа�

Похожие работы

Строительство
05.23.00