автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения цеолитов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

„ „ > На правах рукописи

04.2.01 2 5 1 259 н "

Орлов Алексей Викторович

Повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет

введения цеолитов

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: проф.

д.т.н. Румянцев Б.М.

Москва-2011

Содержание стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Параметры комфортного проживания........................................8

1.2. Основные опасности и вредные вещества в среде обитания...............9

1.3. Основные понятия сорбционных веществ и сорбционных процессов

в науке и технике.........................................................................15

1.4. Поризованные гипсовые материалы для создания акустического комфорта и пожарной безопасности...............................................23

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОТЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Теоретические основы кинетики сорбционных процессов..............32

2.2. Материалы для сорбционных и ионообменных процессов.............39

2.3. Технические возможности цеолитов, как сорбентов......................52

2.4. Основы поризации гипсоцеолитовых масс..................................63

2.5. Рабочая гипотеза и задачи исследования.....................................77

2.6. Исходные материалы............................................................81

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА СВЙОСТВА ПОРИЗОВАННЫХ ГИПСОЦЕОЛИТОВЫХ МАТЕРИА-

ЛОВ

3.1. Исследование влияния видов гипсового вяжущего на вязко-пластичные свойства формовочных масс...................................86

3.2. Исследование влияния ПАВ на процесс пенообразования...............89

3.3. Исследование структуры и физико-механических показателей пеногипсовых материалов.....................................................................95

3.4. Исследование структуры цеолита и его влияния на реологию формовочной массы...................................................................102

3.5. Исследование сорбционных возможностей цеолитов......................111

3.6. Исследование структуры и прочностных показателей поризованных гипсоцеолитовых материалов...................................121

3.7. Исследование новообразований гипсоцеолитовых материалов

в процессе сорбции...................................................................128

2

3.8. Планирование эксперимента, построение математической модели и

оптимизация составов ПГЦМ.....................................................134

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПГЦМ

4.1. Разработка методики оценки сорбционных свойств отделочных материалов в динамическом режиме.............................................142

4.2. Исследование звукопоглощающих свойств ПГЦМ........................149

4.3. Исследование пожарной безопасности ПГЦМ............................154

ГЛАВА 5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ПГЦМ

5.1. Рекомендации по технологии производства ПГЦМ......................159

5.3 Технико-экономическое обоснование производства и эффективность

применения ПГЦМ..................................................................163

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................................169

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................171

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Для улучшения санитарно-гигиенических показателей внутренней среды помещений необходимо создание материалов, обладающих возможностью снижения концентрации вредных веществ в воздухе, создающих акустический комфорт и огнезащиту несущих конструкций

Одним из путей решения этой проблемы является применение цеолитов в производстве лицевых элементов подвесных потолков. Гранулы цеолитов пронизаны системой каналов и имеют развитую удельную поверхность. Данные минералы могут эффективно работать совместно с поризованными материалами на основе гипса и обеспечить поглощение вредных веществ из воздуха.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Жилище», и включена в план научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО МГСУ.

Цель и задачи работы

Основной целью работы является повышение эффективности поризован-ных гипсовых материалов за счет введения цеолитов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность получения поризованных гипсоцеолитовых материалов (ПГЦМ), обладающих повышенной сорбционной способностью, высоким звукопоглощением и обеспечивающих огнезащиту несущих конструкций;

- сформулировать требования к поризованным гипсоцеолитовым материалам с повышенной сорбционной способностью и их структуре;

- обосновать возможность применения цеолитовых сорбентов в качестве компонентов снижающих концентрацию вредных веществ в помещении в составе поризованных гипсовых материалов;

- установить зависимости физико-механических и эксплуатационных свойств поризованных гипсоцеолитовых материалов от состава и технологических факторов;

- исследовать влияние вида и содержания цеолита на сорбционную способность материалов, звукопоглощение и пожарную безопасность;

4

- определить технико-экономическую целесообразность производства по-ризованных гипсоцеолитовых плит;

- для практического использования полученных материалов необходимо разработать технические условия на поризованные гипсоцеолитовые плиты.

Научная новизна:

- установлено проявление цеолитами, находящимися в структуре пеногипса, очищающих свойств и кинетики сорбции вредных веществ, в основе которых лежит совместная работа системы разветвленной пористости, характерной для пеногипса и каналов молекулярных размеров, присущих цеолиту;

- установлены многофакторные зависимости средней плотности и прочности при сжатии от содержания гипсового вяжущего, воды затворения, цеолита и ПАВ, необходимые для оптимизации состава;

- установлены зависимости подвижности гипсоцеолитовых смесей от содержания гипсового вяжущего, воды затворения, цеолита и ПАВ и влияние содержания ПАВ на свойства пеномассы;

- установлена методом электронной микроскопии минимальная блокировка входных каналов цеолита за счет точечного контакта крупных кристаллов гипса с поверхностью цеолита;

- установлено методом рентгенофазового анализа образование алюмосили-катных органоминеральных соединений в результате взаимодействия цеолита с парами формальдегида;

- установлено влияние вида и содержания цеолита на свойства изделий.

Практическая ценность работы:

- разработана технология получения декоративно-акустических изделий, основанная на методе сухой минерализации пены гипсовым вяжущим с добавлением тонкодисперсных фракций цеолита;

- получены изделия на основе поризованного гипсоцеолитового материала

7 __

плотностью 400 кг/м , прочностью на сжатие 0,54 МПа, относящиеся к классу звукопоглощения НСВ-312, группе горючести НГ;

- разработана методика оценки сорбционных свойств материалов в динамическом режиме, суть которой заключается в принудительной прокачке загрязненного газа через материал с последующим анализом прошедшего газа на его чистоту.

Внедрение результатов исследования

Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству изделий из поризованных гипсоцеолитовых материалов осуществлялось на предприятии ООО «Радиострим». Была выпущена партия объемом 50 м2 и разработан проект технических условий.

Апробация работы.

Основные положения и практические результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов МГСУ за 2008-2009 учебный год; на одиннадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2008 г.; на двенадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2009 г.; на научно-технической конференции программы «У.М.Н.И.К.» в 2009 г. в г. Москва, где была отмечена наградой; на тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2010 г. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, 2 из которых - в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и 4 приложений изложена на 209 листах печатного текста и включает 76 рисунков, 28 таблиц, список литературы из 102 наименований.

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование возможности совместной работы поризованных гипсовых материалов и цеолитов в декоративно-акустических материалах, обладающих функцией очищения воздуха, звукопоглощения и огнезащиты;

- принципы создания поризованных гипсоцеолитовых материалов с повышенной сорбционной способностью для устройства подвесных потолков;

- технологические приемы, обеспечивающие получение материалов с улучшенными сорбционными и звукопоглощающими свойствами;

- зависимости отражающих влияние главных технологических факторов на параметры структуры материалов;

- методику подбора состава, позволяющую получать изделия с оптимальными функциональными свойствами;

результаты опытно-промышленного опробования и технико-экономической эффективности.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Параметры комфортного проживания

Современный человек проводит в зданиях, в зависимости от образа жизни и условий трудовой деятельности, от 52 до 85% суточного времени, поэтому внутренняя среда помещений, даже при относительно невысоких концентрациях большого количества токсичных веществ, оказывает значительное влияние на самочувствие, работоспособность, общую заболеваемость, аллергопатологию, иммунный статус и прочее [67].

Среда внутри помещений может быть охарактеризована параметрами: эстетическими, физическими, химическими и биологическими. Их оптимальные значения определены тем, что человек является составной частью экосистемы и, следовательно, только естественный состав воздуха, воды и др. экологических факторов окружающей среды для него будет благоприятен [81]. Любое их отклонение от оптимальных значений для человека проявляется в чувстве дискомфорта, плохом самочувствии и ухудшении здоровья.

Микроклимат помещения - характеризуется температурой воздуха, скоростью движения и относительной влажностью воздуха. Нормативные значения показателей в соответствии со СНиП П-3-79* приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Нормативные значения показателей воздуха в помещении

Период года Температура воздуха, °С Температура, °С Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, не более м/с

Холодный 18-24 17-23 60 0,2

Теплый 20-28 18-27 65 0,3

К показателям микроклимата так же следует отнести химический состав воздуха, насыщенность воздуха механическими частицами (пылью), наличие источников излучения, освещенность в помещении, уровень шума, биологические

или химические загрязнения воздуха и еще множество сопутствующих факторов. Совокупность таких факторов определяет качество микроклимата.

Микроклимат помещения формируется в результате воздействия внешней среды, особенностей постройки здания, систем отопления, вентиляции и кондиционирования [19]. Особенно сильно на здоровье человека воздействуют тепловые условия и состав воздуха в помещении (концентрация пыли, паров, вредных газов, углекислоты) [62].

В многоэтажных домах наблюдается сильный перепад давления воздуха снаружи здания и внутри. В итоге возникает сильное бактериологическое и газовое загрязнение на верхних этажах и опасность переохлаждения на нижних этажах, сопряженное с повышением опасности радонового загрязнения. Большие окна многоэтажных домов вызывают радиационный дискомфорт зимой и чрезмерную освещенность летом [85].

Особенности микроклимата каждого конкретного помещения формируются под влиянием потоков воздуха, влаги и тепла. Воздух в помещении постоянно находится в движении. С улицы поступает, как правило, охлаждающий воздух, а из соседних квартир и лестничной клетки - загрязненный газовыми примесями [50]. Таким образом, в воздухе постоянно находятся химические соединения, опасные для здоровья человека.

1.2. Основные опасности и вредные вещества в среде обитания

Кроме температурно-влажностного режима комфортность связана с наличием вредных веществ:

- продуктов сгорания топлива, в приборах, работающих на газе, нефти, керосине или угле;

- табачного дыма;

- радиоактивных газов (например, радон или газы, выделяющиеся на месте площадок для отвала грунта);

- при отделочных работах, растворителей и полимеров (особые меры предосторожности следует принимать при снятии старой краски, содержащей сви-

нец, малярных работах в закрытом помещении или при укладывании теплоизоляции);

- от таких строительных материалов как, асбест и других;

- сырости в доме вследствие плохого отопления и вентиляции, что ведет к распространению плесени и иных связанных с влажностью загрязняющих факторов, например, клещиков, обитающих в домашней пыли [19];

- наружного воздуха (например, воздух, содержащий выхлопные газы транспортных средств) [59];

- людей и животных, выделяющих углекислый газ, испарения и запахи

[53].

Значительное сокращение человеческой жизни и практически все заболевания являются результатом дыхания, отравленным воздухом закрытых помещений. В воздухе любого загородного дома, в квартире или в офисе находится более ста химических соединений, опасных для здоровья человека. Это химические испарения краски, лака, мебельного клея, линолеума, пластика, всевозможных напольных покрытий [20]. Кроме того, краски и растворители, напольные покрытия, моющие и чистящие средства, табачный дым, пища, вызывают образование посторонних запахов, которые наносят вред и человеку и окружающей среде.

Загрязняющие факторы принято разделять на следующие группы:

- факторы, имеющие своим источником продукты сгорания;

- биологические загрязняющие факторы, имеющие своим источником живые организмы;

- прочие загрязняющие факторы, источниками которых являются материалы и оборудование зданий и помещений.

К газообразным продуктам вредного воздействия относятся: окись углерода, табачный дым, двуокись азота, радон, асбест, минеральное волокно, свинец и его соединения, химикаты бытового назначения, формальдегид и др.

Окись углерода - газ, образующийся при неполном сгорании топлива, который имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха, что делает его особенно опасным. Ежегодно происходят многочисленные случаи отравления окисью углерода со смертельным исходом в жилых помещениях. Источниками высоких концентраций окиси углерода могут быть неправильно установленные или неграмотно эксплуатируемые приборы, работающие на газе или твердом топливе. Признаками выделения окиси углерода служат пятна или отложения сажи, а также окрашивание пламени в желтый или оранжевый цвет. При использовании твердого топлива необходимо время от времени проверять, наличие запаха или дыма [37].

Значительно чаще приходится иметь дело с табачным дымом. Табачный дым состоит из капелек смолы и различных опасных химических веществ. В табачном дыме также содержатся небольшие количества веществ, которые, как показали лабораторные испытания, вызывают рак.

Двуокись азота и прочие оксиды азота - это газы, образующиеся при сгорании топлива, например, в автомобилях [65]. Повышенный уровень оксидов азота может наблюдаться при использовании газовых плит, керосиновых нагревателей и других приборов, работающих на газе. Источником оксидов азота может быть наружный воздух, особенно в больших городах и прочих сильно загрязненных населенных пунктах.

Радон - радиоактивный газ, не имеющий цвета, запаха и вкуса. Известно, что в большинстве случаев основная часть содержащегося в помещениях радона поступает в них из грунтового основания здания. Интенсивность выделения радона из грунта зависит от большого числа различных факторов и определяется местными геологическими, геофизическими, гидрогеологическими и другими условиями.

Радон считается фактором риска рака легкого. Этот радиоактивный газ (основной изотоп - 222Яп) образуется при распаде радия (22611а), а тот, в свою очередь, - при распаде урана (238Ц). Концентрация радона в атмосфере в среднем невелика. Она зависит от содержания радия в земной коре. Концентрация

радона в воздухе помещений зависит от размера помещения и интенсивности вентиляционного обмена в нем. В США по меньшей мере в 10% жилых домов концентрация радона в воздухе превышает безопасный уровень [36]. При вз