автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Пеногазобетон с наноструктурированным модификатором

На правах рукописи

СУМИН АРТЕМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПЕНОГАЗОБЕТОН С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ МОДИФИКАТОРОМ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

,1

1 з дег 2015

Белгород —2015

005561553

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

Научный руководитель — Строкова Валерия Валерьевна

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - Белов Владимир Владимирович

доктор технических наук, профессор, проректор по инновационному развитию, заведующий кафедрой производства строительных изделий и конструкций, ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

— Пыкин Алексей Алексеевич

кандидат технических наук, доцент кафедры производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная

автомобильно-дорожная академия»

Защита состоится «2» октября 2015 года в 11°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242. Телефон для справок 8(4722) 55-95-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://gos att.bstu.ru/dis.

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

Автореферат разослан «7» августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Увеличение нормативных показателей теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий определяет высокий объем использования ячеистых бетонов при строительстве. Их широкая номенклатура позволяет достичь современных требований по теплоизоляции в совокупности с необходимыми прочностными характеристиками. При этом с позиции экономической эффективности целесообразным является использование неавтоклавных ячеистых композитов.

Наряду с высокими теплоизоляционными свойствами, неавтоклавный ячеистый бетон, как правило, характеризуется невысокой прочностью каркаса и стабильностью пористой структуры композита. Указанные недостатки возможно компенсировать, с одной стороны, использованием активных модифицирующих компонентов, в том числе наноструктурированных, способных повысить характеристики несущей матрицы композита, а с другой — комплексной поризацией системы, что обеспечит формирование гетеропори-стой ячеистой структуры бетона с пониженной плотностью.

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

Степень разработанности темы. В настоящее время существует значительное количество работ, посвященных повышению эффективности производства и применения неавтоклавных ячеистых бетонов, главной целью которых является улучшение эксплуатационных свойств композитов при сохранении их теплозащитной способности. Для повышения прочностных свойств ячеистого бетона рядом авторов предложено использование композиционных вяжущих — тонкомолотые цементы (ТМЦ) или вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), а также модифицированных вяжущих, в составе которых присутствуют активные компоненты различного состава и генезиса. Улучшение теплоизоляционных свойств ячеистых композитов связано с применением современных эффективных пено- и газообразующих агентов, а также с их комплексным (совместным) использованием.

В работах, выполненных ранее, обоснована целесообразность использования наноструктурированного модификатора (НМ) силикатного состава при производстве материалов автоклавного твердения. Однако возможность его использования в качестве модификатора матричной и пористой структур неавтоклавных ячеистых пеногазобетонов на основе цемента в комплексе с активированным алюминием не рассматривалась.

Цель и задачи работы. Разработка неавтоклавного пеногазобетона с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплексного порообразователя, содержащего активированный алюминий. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - обоснование возможности использования наноструктурированного модификатора силикатного состава как стабилизатора структуры ячеистобетон-

ных смесей;

- анализ особенностей фазо- и структурообразования, физико-механических свойств модифицированного вяжущего;

- изучение свойств активированного алюминия как газообразующего компонента с позиции комплексной поризации смеси, а также особенностей формирования макро- и микроструктуры материала;

- разработка составов и изучение свойств пеногазобетона неавтоклавного твердения с применением наноструктурированного модификатора и активированного алюминия;

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

Научная новизна работы. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования наноструктурированного модификатора силикатного состава в качестве стабилизатора структуры пеногазо-бетонной смеси. Адсорбция НМ на поверхности пузырьков в процессе получения пены приводит к возрастанию шероховатости их поверхности, заполнению и закупорке каналов между ними, следствием чего является повышение устойчивости пенной структуры во времени и объеме. Это способствует увеличению вязкости пены и соответственно снижению явлений синерезиса, вызывающих к осаждение пенного столба. Гомогенизация активированного алюминия в присутствии наноструктурированного модификатора под действием ультразвука способствует интенсификации процессов распределения разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газо-образователя, а также повышению стабильности системы (отсутствие расслоения).

Установлен механизм влияния наноструктурированного модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня, заключающийся в выполнении одновременно роли активной пуццолановой добавки - за счет присутствия коллоидного компонента и субмикронного наполнителя - за счет полидисперсного состава. Кроме этого, активный коллоидный кремнезем осуществляет силификацию С-8-Н(1)-геля в цементном камне, что приводит к формированию на его основе кристаллического гидросиликата кальция - суолунита и изменению морфоструктурного строения С-8-Н(1)-геля со сменой волокнистого облика на мелкочешуйчатый. Введение наноструктурированного модификатора способствует оптимизации реотех-нологических характеристик вяжущей системы; сокращению сроков схватывания вяжущего; интенсификации процессов фазообразования и оптимизации микроструктуры цементирующего вещества, что обуславливает повышение активности и прогнозируемой прочности вяжущего.

Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобетона с учетом специфики активированного алюминия и наноструктурированного модификатора. Высокое содержание активного алюминия, полидисперсный гранулометрический состав и изометричная форма частиц газообра-зователя обеспечивают интенсивное газовыделение с формированием

разноразмерных пор. Это способствует дополнительной поризации пенобе-тонной смеси на макро- (поровое пространство) и на микроуровне (межпоро-вое пространство) и приводит к формированию структуры с равномерной полидисперсной пористостью. Замена части цемента на наноструктуриро-ванный модификатор, имеющий более низкую плотность и выступающий в качестве стабилизирующего компонента при формировании пеногазомассы, обусловливает стойкость ячеистобетонной смеси, повышение ее пористости и, как следствие, увеличение прироста объема ячеистобетонной смеси при сохранении прочностных показателей бетона.

Теоретическая и практическая значимость работы. Предложены принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплексной поризации, заключающиеся в оптимизации процессов формирования каркаса ячеистобетонной смеси, а также интенсификации фазо- и струк-турообразования цементирующего вещества. Применение комплексной поризации системы, реализованной за счет совместного использования синтетического пенообразователя и активированного алюминия АА-Т/7 в качестве газообразователя, способствует формированию гетеропористой структуры композита. НМ структурирует поровое пространство композита за счет стабилизации пены и равномерного распределения газообразователя в объеме смеси, а также обеспечивает формирование рационального состава новообразований за счет взаимодействия продуктов гидратации цемента с высокоактивной (коллоидной) фракцией модификатора. Все это в совокупности обеспечивает получение ячеистых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик.

Предложен состав модифицированного вяжущего с использованием НМ и установлены закономерности его влияния на прогнозируемые показатели марочной прочности и долговечности вяжущего.

Разработаны составы неавтоклавного пеногазобетона с использованием активированного алюминия АА-Т/7 и наноструктурированного модификатора силикатного состава, позволяющие получать изделия с марками по плотности 0400, 0500; классом по прочности на сжатие В1; теплопроводностью 0,08 и 0,085 Вт/(м°С); паропроницаемостью 0,211 и 0,231 мг/(м-ч-Па); сорб-ционной влажностью 7,1 и 7,5 %.

Предложена технология производства пеногазобетона неавтоклавного твердения и изделий на его основе с учетом технологических особенностей применения комплексной поризации и наноструктурированного модификатора.

Методология и методы исследования. Методология построена на известной роли модифицирующих компонентов различного генезиса в качестве составляющих формовочной смеси материалов на основе цемента и согласуется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации. Идея базируется на фундаментальных исследованиях влияния состава, степени дисперсности и активности кремнеземистых компонентов на физико-

механические характеристики строительных композитов различного назначения. Исследования по изучению состава и свойств сырьевых и синтезированных материалов осуществляли с использованием общепринятых физико-химических и физико-механических методов. Особенности микро- и макроструктуры сырьевых компонентов, вяжущих веществ и пеногазобетона на их основе изучали, применяя оптическую и электронную микроскопию. Для выявления особенностей качественного и количественного состава продуктов гидратации модифицированного вяжущего проводили полнопрофильный рентгенофазовый анализ, основанный на методе Ритвельда.

Положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования НМ силикатного состава в качестве стабилизатора структуры пеногазобетонной смеси;

- принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с использованием НМ силикатного состава и комплексной поризации;

- характер влияния наноструктурированного модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня;

- расчет прогнозируемой прочности модифицированного вяжущего;

- механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобетона с учетом специфики НМ и активированного алюминия;

- рациональные составы и технология производства пеногазобетона неавтоклавного твердения с применением наноструктурированного модификатора и активированного алюминия АА-Т/7;

- результаты внедрения.

Достоверность полученных результатов подтверждается проведением экспериментальных исследований на высоком техническом уровне с достаточной воспроизводимостью, реализованных за счет применения современной аппаратурной базы и стандартизированных методов исследований. При проведении испытаний использовалось поверенное и аттестованное оборудование. Установлена сходимость теоретических исследований и экспериментальных данных. Результаты, полученные в работе, согласуются с опубликованными экспериментальными данными других авторов.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: Всероссийской научно-практической конференции: «Ресурсоэнернеэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012 г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых «Исследования и инновации в вузе» (Белгород, 2012 г.); Международных научно-практических конференциях «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (Улан-Удэ, 2012 г.); «Актуальные вопросы образования, науки и техники» (Донецк, 2013 г.); «Наукоемкие технологии и инновации» (Белгород, 2014 г.); «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, 2015 г.); «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2015 г.).

Внедрение результатов исследований. Апробация разработанных соста-

вов и технологии в промышленных условиях осуществлялась на ООО «Эко-стройматериалы» (Белгородская область). Подписаны протоколы о намерениях по внедрению результатов исследований: с ЗАО «Белгородский цемент» - по разработке модифицированного вяжущего; с ООО «Экоэнерго-тех» — по получению газообразующей суспензии с наноструктурированным модификатором.

Для внедрения результатов исследования разработаны следующие технические документы:

- Рекомендации по использованию наноструктурированного модификатора при производстве неавтоклавного пеногазобетона;

- Рекомендации по использованию активированного алюминия АА-Т/7 в качестве газообразователя при получении пеногазобетона;

- Стандарт организации СТО 02066339-021-2014 «Неавтоклавный пенога-зобетон с использованием наноструктурированного модификатора. Технические условия»;

- Технологический регламент на производство неавтоклавного пеногазобетона с наноструктурированным модификатором.

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

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 13 научных публикациях, в том числе в трех статьях в российских рецензируемых изданиях. На состав и технологию пеногазобетона неавтоклавного твердения получено свидетельство о регистрации ноу-хау № 20150005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включающего 36 таблиц, 57 рисунков и фотографий, списка литературы из 227 наименований, 13 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Неавтоклавные ячеистые бетоны, обладая рядом достоинств, таких, как низкая теплопроводность, простота изготовления и низкая себестоимость, имеют существенный недостаток, а именно низкие прочностные показатели.

Повышение эффективности ячеистых материалов (увеличение прочности, снижение усадки и плотности) возможно путем оптимизации характеристик цементной матрицы и поровой структуры.

В связи с этим рабочей гипотезой работы являлась возможность использования наноструктурированного вяжущего силикатного состава в качестве структуроформирующего компонента ячеистобетонной смеси, а также акти-

вированного алюминия в составе комплексного порообразователя при получении неавтоклавного пеногазобетона.

В качестве сырьевых компонентов для получения пеногазобетона использовали: песок Корочанского месторождения для получения наноструктури-рованного модификатора, цемент ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Белгородский цемент», пенообразователь «Пеностром» производства ООО «Щит» и активированный алюминий АА-Т/7 производства ООО «Экоэнерготех».

Наноструктурированный модификатор, полученный по технологии мокрого постадийного помола, имеет удельную поверхность 830 м2/кг, отличается полидисперсностью с пиками размеров частиц в диапазоне 5, 15-20, 50-70 мкм, наличием до 10 % частиц наноразмерного уровня 10-50 нм1, высокой активностью по отношению к гидроксиду кальция, согласно количеству активных бренстедовских кислотных центров - 30,6 мг-экв/г.

Для проверки рабочей гипотезы в части модифицирующего влияния НМ на процессы структурообразования цемента были изучены свойства модифицированного цементного вяжущего в зависимости от его состава. Модификатор, предварительно размешанный в воде «затворения», вводился в систему взамен части цемента от 0 до 40 с шагом 10 %. Эффективность НМ оценивалась по совокупности свойств вяжущего с его использованием.

Замена части цемента на НМ приводит к снижению начальной вязкости цементного теста. Этот эффект увеличивается с ростом дозировки НМ с 15 до 70 %. По критерию эффективности добавок (ГОСТ 24211-2008) оптимальным выбран состав с содержанием НМ в количестве 20 %, который способствует повышению прочности более чем на 30 %. На основании проведенных комплексных исследований показано, что данное количество модификатора способствует снижению нормальной густоты модифицированного вяжущего; приводит к сокращению сроков схватывания вяжущего по сравнению с исходным цементом в 1,9 раза (таблица 1) при нормальных условиях твердения и в 2 раза - при температуре 40 °С (температура обусловлена газовыделением);

16

Напряжение сдвига, с 1 Рисунок 1 - Реограммы вяжущего в зависимости от содержания наноструктурированного модификатора

1 Наличие нанодисперсного компонента в наноструктурированном вяжущем, используемом в работе в качестве модификатора, было доказано в работах, выполненных ранее.

снижая начальную вязкость вяжущего, практически не меняет качественно и количественно его реологические характеристики (рисунок 1), сохраняя тик-сотропный тип течения. Данные эффекты являются предпосылками улучшения процесса поризации системы и повышения стабильности пеногазомассы.

Анализ кинетики набора прочности цементного камня свидетельствует о том, что в первые 7 сут набор прочности происходит наиболее интенсивно, далее прирост прочности постепенно снижается, достигая максимума на 28-е сут твердения. В случае модифицированного вяжущего уже в 1 -е сут твердения наблюдается превышение прочности в 1,7 раза по сравнению с контрольным составом. Далее разница несколько сокращается и к 7-м сут составляет 1,3 раза. В результате к 28-м сут прирост прочности составляет около 30 % для прочности на сжатие и 20 % - для прочности на изгиб (рисунок 2). Активность модифицированного вяжущего превышает активность исходного цемента на 14 %.

Таблица 1 — Свойства модифицированного вяжущего

Количество Нормальная Начало Начало схватывания В/Ц В/Т

НМ, % густота схватывания, мин при 40 °С, мин

0 0,26 150 14 0,26 0,26

10 0,24 88 8 0,28 0,25

20 0,22 80 7 0,3 0,24

30 0,19 78 7 0.34 0,23

40 0,17 76 6 0,38 0,22

Это связано, в первую очередь, с уплотнением структуры вяжущего за счет формирования плот-нейшей упаковки из крупных частиц цемента и микродисперсной фракции НМ. Кроме того, высокоактивная коллоидная составляющая модификатора выступает в роли пуц-цоланового компонента, способствуя первичному взаимодействию кремнезема модификатора и портландита. формирующегося при гидратации цемента.

С применением полулогарифмического закона и двух уравнений теории переноса был произведен расчет кинетики твердения модифицированного вяжущего. Установлено, что использование 20 % НМ в 2 раза увеличивает начальную скорость твердения и на 18 % снижает коэффициент торможения гидратации. На основании рассчитанных коэффициентов переноса были

6,5

6,0

а

5 5,5

г

6

1 5,0 | 4'5

|,о с

3,5

0 10 20 30 40

Содержание намоструаурированного модификатора % Рисунок 2. - Прочностные свойства модифицированного вяжущего в зависимости от состава

спрогнозированы прочностные характеристики на длительный период. Активный набор прочности происходит в первые 50 суг. При достижении возраста 200 суг наблюдается затухание процессов, что длится вплоть до 400 суг. К концу расчетного срока твердения предел прочности при сжатии модифицированного вяжущего на 25 % больше аналогичного показателя для цементного вяжущего.

Для рассмотрения особенностей фазообразования в системе «цемент - 8Ю2» были изучены образцы модельного состава с 20 % кремнеземного компонента, в качестве которого использовался центрифугат НМ - коллоидная фаза с небольшой примесью кристаллического кварца. На основании полнопрофильных расчетов дифракционных данных (рисунок 3) можно сделать вывод о том, что уменьшение интенсивности отражения портландита на поздних сроках твердения экспериментального состава, по сравнению с контрольным, связано с силификацией С-8-Н(1)-геля в цементном камне активным коллоидным кремнеземом, что приводит к формированию на его основе кристаллического гидросиликата кальция - суолунита и изменению мор-фоструктурного строения С-8-Н(1)-геля со сменой волокнистого облика на

Анализ микроструктуры системы «цемент - НМ» (рисунок 4) показал, что в 1-е сут в контрольных образцах преобладают нитевидные кристаллы, а в модифицированном цементном камне - ромбоэдрические. К 3-м сут наблюдается появление в модифицированных образцах уплощенных таблитчатых новообразований. К '7-м сут вся масса контрольных образцов сложена хлопьеподобными скоплениями, а в модифицированном вяжущем присутствуют скопления новообразованного вещества с характерными мор-фоструктурами. После 14 сут твердения морфология новообразований существенных изменений не претерпевает.

Таким образом, установлен характер влияния наноструктурированного модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня, заключающийся в том, что полидисперсный модификатор с наличием высокоактивной коллоидной составляющей, с одной стороны, выступает в роли пуццоланового компонента, а с другой - субмикронного наполнителя. Это способствует улучшению реотехнологических характеристик вяжущей системы, интенсификации процессов фазообразования и опти-

3 7 21 Время тверления. сух

Рисунок 3. - Сравнительная диаграмма профилей отражения (001) портландита контрольного и экспериментального составов

мизации микроструктуры цементирующего вещества, что приводит к сокращению сроков схватывания вяжущего, повышению его активности и прогнозируемой прочности.

Следующим этапом исследования стала разработка неавтоклавного теплоизоляционного пеногазобетона с использованием модифицированного вяжущего, синтетического пенообразователя «Пеностром» и нетрадиционного для строительной отрасли газообразующего агента - активированного алюминия АА-Т/7.

Модифицированное вяжущее Рисунок 4. - Морфология новообразований при твердении вяжущих в течение: а, б - 1-х сут; в, г - 3-х сут; д, е- 7-ми сут

Анализ свойств основных компонентов, осуществляющих комплексную лоризацию раствора, показал следующее. При кратности пены, равной 15, стойкость пены в поризуемом растворе составила 0,85, что можно считать удовлетворительным. Наиболее интенсивно явление синерезиса проявляется в первые 40 мин (рисунок 5). Наблюдается плавное сокращение объема пены. При выделении менее 50 % воды пена сохраняется вплоть до 70 мин, однако стойкость составляет 80 мин, что соответствует началу схватывания модифицированного вяжущего. В связи с этим была изучена возможность предварительной стабилизация пенной массы модификатором .для улучшения качества изделий на ее основе.

При введении НМ в пенную систему с водой «затворения», протекают процессы адсорбции твердых частиц на поверхности пенных пузырьков, а

также заполнение пространства между ними. В результате, с одной стороны, увеличивается шероховатость стенок пузырьков, а с другой - происходит сужение каналов Плато-Гиббса и их закупорка. Следствием указанных явлений становится рост дисперсности пены при увеличении количества пузырьков на единицу площади, что приводит к повышению ее стабильности во времени и объеме: стойкость во времени возрастает в 1,5 раза (рисунок 5), а осаждения пенной системы практически не происходит.

Анализ кинетики газовыделения (рисунок 6) показал, что общий объем газа, сформированного в результате реакции активного вещества и щелочи, в случае АА-Т/7 в 1,8 раза превышает аналогичный показатель для алюминиевой пасты. Активированный алюминий отличается более высокой скоростью реакции и большим объемом выделяющегося газа. Это связано с полидисперсностью, высокой удельной поверхностью (865 м2/кг) и более мелким размером частиц (средний размер 2,8 мкм) АА-Т/7, что в 3 раза выше и ниже соответствующих показателей пасты, а также сопряжено со сферической формой частиц, в отличие от пластинчатых частиц пасты.

160

во ео

Врймя мин

Рисунок 5. — Устойчивость пены по объему (1, 2) и синерезису (3, 4) сНМ (2, 4) и без (1, 3)

Время, с

Рисунок 6. - Кинетика газовыделения газообразователей

Для получения суспензии алюминиевого газообразователя по результатам экспериментального определения времени достижения необходимой мелкодисперсной и равномерной структуры принят ультразвуковой способ. Доказана эффективность гомогенизации активированного алюминия в присутствии наноструктурированного модификатора за счет ультразвукового воздействия, что приводит к интенсификации процессов распределения разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газобразователя, а также к повышению стабильности системы (отсутствие расслоения).

Для разработки составов пеногазобетона была использована расчетная методика, в которой кремнеземный компонент НМ не учитывался. Полученный состав компонентов, дозируемых по сухому веществу, был скорректирован с учетом содержания 20 % НМ и влажности суспензии 18 %.

Далее с использованием математического планирования эксперимента

разрабатывались рациональные составы бетона. Оценку оптимизации свойств производили на основании прочности на сжатие, плотности и коэффициента теплопроводности пеногазобетона. В качестве варьируемых параметров выступало количество газо- и пенообразователей.

На основании полученных данных были выбраны составы, отвечающие требованиям нормативных документов (в частности, ГОСТ 25485-89, таблица 2). Пеногазобетон марки 13400 отличается существенным запасом прочности. Так, нижней границей прочности для таких изделий является класс ВО,5. Предлагаемые изделия превышают указанное значение в 2 раза. В случае пеногазобетона марки 1)500 класс по прочности равен аналогичному показателю для ячеистого композита марки 0400. Тем не менее, значение реальной прочности композита превышает класс по прочности в 1,5 раза.

Использование комплексной поризации ячеистобетонной смеси в совокупности с введением активного модифицирующего компонента, структурирующего все элементы формовочной смеси (пену, суспензию газо-образователя, цементную матрицу) способствует существенному увеличению прироста объема готовой ячеистобетонной смеси (на 30 %) и, как следствие, снижению плотности готовых изделий.

Снижение плотности изделий обусловлено, с одной стороны, использованием комплекса поризующих агентов, что приводит к формированию гетеропористой структуры композита (рисунок 7) за счет присутствия крупных газовых пор, окруженных мелкодисперсными пенопорами, и уменьшения толщин межпоровых перегородок между газо- пенопорами. С другой стороны, это связано с заменой части цемента на наноструктуриро-ванный модификатор, характеризующийся меньшей плотностью, что способствует снижению средней плотности матричной структуры, т.е. межпоровой перегородки.

Таблица 2 — Составы и свойства пеногазобетона с использованием НМ _ _

№ образца 1 2

Цемент 51,83 51,76

¿К Наноструктурированное вяжущие 12,96 12,94

Л Дктивированный алюминий 0,18 0,27

О О и Пенообразователь 0,05 0,09

В/Т 0,54

Плотность, кг/м3 422 481

Марка по плотности Э400 0500

Предел прочности при сжатии, МПа 1,19 1,58

Класс по прочности В1 В1

Теплопроводность, Вт/(м-°С) 0,08 0,085

СО е >к о Теплопроводность по ГОСТ 25485-89 не более, Вт/(м-°С) 0,1 0,12

Паропроницаемость, мг/(мч-Па) 0,231 0,211

О Паропроницаемость по ГОСТ 25485-89, мг/(м-ч-Па) 0,23 0,2

Сорбционная влажность при влаж- 75 7,1 7,5

ности воздуха, % 95 10,5 11,3

Сорбционная влажность при влаж- 75 8 8

ности воздуха по ГОСТ 25485-89, % 95 12 12

а б в г

Рисунок 7. - Макроструктура ячеистых композитов в зависимости от способа поризации системы: а - газобетон на алюминиевой пасте; б - газобетон на активированном алюминии; в - пенобетон; г - пеногазобетон с АА-Т/7

Таким образом, определены рациональные составы неавтоклавного пено-газобетона с использованием активированного алюминия АА-Т/7 и нано-структурированного модификатора силикатного состава, позволяющие получать изделия плотностью 422 и 481 кг/м3 (марками по плотности 0400, Ц500); пределом прочности при сжатии 1.19 и 1,58 МПа (классом по прочности на сжатие В1); теплопроводностью 0,08 и 0.085 Вт/(м °С); паропроницае-мостью 0,23 I и 0,211 мг/(м-ч-Па); сорбционной влажностью 7,1 и 7.5 %.

Предложена технологическая схема производства изделий из пеногазобе-тона с НМ, в основе которой использована классическая технология получения пенобетона неавтоклавного твердения по пенобаротехнологии.

Обоснована экономическая эффективность производства теплоизоляционного пеногазобетона. Введение наноструктурированного модификатора позволяет снизить себестоимость за счет уменьшения доли цемента в ячеистом бетоне; комплексная поризация системы приводит к увеличению объема выхода ячеистобетонной смеси. Использование комбинированного способа поризации позволяет получать ячеистый бетон разных марок по плотности с более низкими коэффициентами теплопроводности по сравнению с пенобетоном той же плотности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложены принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплексной поризации, заключающиеся в оптимизации процессов формирования каркаса ячеистобетонной смеси, а также интенсификации фа-зо- и структурообразования цементирующего вещества. Применение комплексной поризации системы, реализованной за счет совместного использования синтетического пенообразователя и активированного алюминия АА-Т/7 в качестве газообразователя, способствует формированию гетеропо-ристой структуры композита. Наноструктурированный модификатор структурирует поровое пространство композита за счет стабилизации пены и равномерного распределения газообразователя в объеме смеси, а также обеспечивает формирование рационального состава новообразований за счет взаимодействия продуктов гидратации цемента с высокоактивной (коллоид-

ной) фракцией модификатора. Все это в совокупности обеспечивает получение ячеистых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования наноструктурированного модификатора силикатного состава в качестве стабилизатора структуры пеногазобетонной смеси. Адсорбция НМ на поверхности пузырьков в процессе получения пены приводит к повышению устойчивости пенной структуры во времени и объеме, следствием чего является увеличение шероховатости их поверхности, заполнение и закупорка каналов между ними. Это приводит к увеличению вязкости пены, и, как следствие, к снижению явлений синерезиса, вызывающих осаждение пенного столба. Гомогенизация активированного алюминия в присутствии наноструктурированного модификатора под действием ультразвука способствует интенсификации процессов распределения разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газообразователя, а также повышению стабильности системы (отсутствие расслоения).

Установлен механизм влияния наноструктурированного модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня, заключающийся в выполнении роли активной пуццолановой добавки — за счет присутствия коллоидного компонента; субмикронного наполнителя - за счет полидисперсного состава. Кроме этого, активный коллоидный кремнезем осуществляет силификацию С-Б-ЩГ) - геля в цементном камне, что приводит к формированию на его основе кристаллического гидросиликата кальция - суолунита и изменению морфоструктурного строения С-8-Н(1) - геля со сменой волокнистого облика на мелкочешуйчатый. Введение наноструктурированного модификатора способствует оптимизации реотехнологических характеристик вяжущей системы; сокращению сроков схватывания вяжущего; интенсификации процессов фазообразования и оптимизации микроструктуры цементирующего вещества, что приводит к повышению активности и прогнозируемой прочности вяжущего.

Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазо-бетона с учетом специфики активированного алюминия и наноструктурированного модификатора. Высокое содержание активного алюминия, полидисперсный гранулометрический состав и изометричная форма частиц газообразователя обеспечивают интенсивное газовыделение с формированием разноразмерных пор. Это способствует дополнительной поризации пенобе-тонной смеси на макро- (поровое пространство) и микроуровне (межпоровое пространство), формируя равномерную полидисперсную пористость структуры. Замена части цемента на наноструктурированный модификатор, имеющий более низкую плотность и выступающий в качестве стабилизирующего компонента при формировании пеногазомассы, обусловливает стойкость ячеистобетонной смеси, повышение ее пористости и, как следствие, увеличение прироста объема ячеистобетонной смеси при сохранении прочностных показателей бетона.

Предложен состав модифицированного вяжущего с использованием НМ и установлены закономерности его влияния на прогнозируемые показатели марочной прочности и долговечности вяжущего.

Разработаны составы неавтоклавного пеногазобетона с использованием активированного алюминия АА-Т/7 и наноструктурированного модификатора силикатного состава, позволяющие получать изделия с марками по плотности D400, D500; классом по прочности на сжатие В1; теплопроводностью 0,08 и 0,085 Вт/(м °С); паропроницаемостью 0,211 и 0,231 мг/(м ч Па); сорб-ционной влажностью 7,1 и 7,5 %.

Предложена технология производства пеногазобетона неавтокпавного твердения и изделий на его основе с учетом технологических особенностей применения комплексной поризации и наноструктурированного модификатора. Для внедрения результатов исследования был разработан ряд нормативных документов, в том числе рекомендации по использованию добавки и активированного алюминия, технологический регламент на производство пеногазобетона и стандарт организации, отражающий технические характеристики готовых изделий. Внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс осуществляется при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий для бакалавров и магистров по направлению «Строительство».

Производство пеногазобетона, а также апробация разработанных составов производились как на базе опытно-промышленного участка БГТУ им. В.Г. Шухова — Опытно-промышленного цеха наноструктурированных композиционных материалов, так и в условиях реального производства — выпуск опытной партии на базе ООО «Экостройматериалы». Экономическая эффективность производства и применения исследуемых в рамках работы материалов неавтоклавного твердения обеспечивается за счет применения наноструктурированного модификатора и комплексного способа поризации системы, что позволяет экономить цементное вяжущее, а также получать изделия с оптимальными технико-эксплуатационными характеристиками.

Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы.

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационного исследования могут быть рекомендованы для расширенного внедрения на предприятиях по производству изделий из неавтоклавного ячеистого бетона в различных регионах РФ с учетом специфики сырьевой базы; при подготовке бакалавров и магистров направлений «Строительство», «Материаловедение и технология материалов».

С позиций анализа фазовых и структурных трансформаций в системе «цемент - наноструктурированный модификатор» работу целесообразно продолжить в направлении изучения возможности использования модификатора алюмосиликатного состава на основе сырья различного генезиса.

В связи с существенным запасом прочности изделий имеются предпосылки для изучения возможности получения пеногазобетонов низких марок по плотности, что позволит существенно расширить области использования изделий.

Целесообразно проанализировать поведение и изменение физико-механических характеристик, а также фазово-структурные преобразования изделий в процессе эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В российских рецензируемых научных гаданиях

1. Бухало, А.Б. Сравнительная оценка газообразователей для производства ячеистого бетона / А.Б. Бухало, В.В. Нелюбова, В.В. Строкова, A.B. Сумин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2013. - № 2. - С. 42-45. (ИФ - 0,362)

2. Павленко, Н.В. Модифицированное вяжущее с использованием нано-кристаплических компонентов для ячеистых композитов / Н.В. Павленко,

A.Б. Бухало, В.В. Строкова, В.В. Нелюбова, A.B. Сумин II Строительные материалы - 2013. - № 2. - С. 20-24. (ИФ - 0,39)

3. Строкова, В.В. Модифицированное вяжущее с использованием нано-структурированного минерального компонента / В.В. Строкова, A.B. Сумин,

B.В. Нелюбова, H.A. Шаповалов И Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2015. -№ 3. - С. 36-39. (ИФ - 0,362)

В сборниках трудов конференций

4. Сумин, A.B. Создание неокомпозитов с использованием наноразмер-ных компонентов / A.B. Сумин // Сб. докл. XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Москва: Изд-во РГУИТП, 2010. - С. 39^13.

5. Сумин, A.B. Некоторые аспекты модифицирования ячеистых бетонов / A.B. Сумин, А.Б. Бухало // Исследования и инновации в вузе: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, Белгород, 2012 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - Ч. 1. - С. 638-640.

6. Бухало, А.Б. Анализ размолоспособности цемента с применением современных модификаторов / А.Б. Бухало, В.В. Строкова, A.B. Сумин // Ре-сурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф., Саратов, 2012 г. -Саратов: Изд-во СГТУ, 2012. - С. 42-44.

7. Бухало, А.Б. Разработка композиционного вяжущего с применением современных модификаторов / А.Б. Бухало, A.B. Сумин, В.В. Строкова // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: Материалы Междунар. науч.-практ. конф., Улан-Удэ, 11-14 июля 2012 г. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. - С. 166-167.

8. Сумин, A.B. Оценка эффективности газообразователей для пеногазобе-тона / A.B. Сумин, А.Б. Бухало, В.В. Нелюбова // Будущее технической науки: сб. материалов Междунар. Молодеж. науч.-техн. конф., Нижний Новгород, материалов 24 мая 2013 г. - Нижний Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2013 г. - С. 304-305.

9. Бухало, А.Б. Анализ дисперсности алюминиевых порошков для получения комплексного порообразователя // А.Б. Бухало, A.B. Сумин // Актуальные вопросы образования, науки и техники: Материалы девятой Между-нар. науч.-практ. конф., Донецк, 15—17 нояб. 2013 г. - Донецк: ООО «Цифровая типография», 2013. - Т. 2. - С. 98-102.

10. Сумин, A.B. Современные способы получения ячеистых бетонов с высокими физико-механическими характеристиками / A.B. Сумин // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте: сб. науч. тр. SWORLD, Одесса, 2013 г. - Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2013. - Т. 35. - С. 90-92.

М.Сумин, A.B. К вопросу об эффективности нанострукгурированного модификатора при получении композиционного вяжущего / A.B. Сумин, А.Б. Бухало, В.В. Нелюбова // Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2014 г. [электронный ресурс] - Белгород, 2014. - Режим доступа: www.bstu.ru

12. Сумин, A.B. Некоторые особенности композиционного вяжущего с использованием наноструктурированного модификатора / A.B. Сумин, А.Б. Бухало, М.Ю. Дмитриев // Наукоемкие технологии и инновации: сб. докл. Юбилейн. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В. Г. Шухова, Белгород, 9-10 марта 2014 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. - Ч. 3. - С. 360-363.

13.Сумин, A.B. Анализ современных газообразующих агентов / A.B. Сумин // Современные строительные материалы, технологии и конструкции: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГТНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова», Грозный, 24-26 марта 2015 г. - Грозный: ФГУП «Издательско-полиграфический комплекс «Грозненский рабочий», 2015. - Т. 1. - С. 603-607.

Полученные объекты интеллектуальной собственности

14. Ноу-хау № 20150005. Пеногазобетон с использованием нанодисперс-ного поризатора / В.В. Строкова, A.B. Сумин, В.В. Нелюбова: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении высшего профессионального образования Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. Дата регистр. 15.04.2015. Срок охраны: 5 лет.

СУМИН АРТЕМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПЕНОГАЗОБЕТОН С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ МОДИФИКАТОРОМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 31.07.15. Формат 60x84/16.

Усл. печ. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ /(/2^2.6

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46