автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение устойчивости к осадке теплоизоляционных пенобетонных смесей на природных песках и пожарных пенообразователях

На правах рукописи

Мальцев Николай Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К ОСАДКЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЕНОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ НА ПРИРОДНЫХ ПЕСКАХ И ПОЖАРНЫХ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯХ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2004

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Ткаченко Геннадий Алексеевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

академик АЕН РФ Зубехин Алексей Павлович

кандидат технических наук Окулова Лилия Ивановна

Ведущая организация - ОАО ПСП «СевКавНИПИагропром», г.Ростов-на-Дону

Защита состоится «30» июня 2004 года в 10-15 на заседании диссертационного совета Д.212.207.02 в Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд.217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «_» мая 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Касторных Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Представленная работа посвящается решению проблемы получения качественных пенобетонных изделий неавтоклавного твердения на природных тонких и мелких песках с использованием синтетических пожарных пенообразователей. Организация производства таких пенобето-нов позволяет существенно снизить материалоемкость, трудоемкость и стоимость строительства, а также в значительной степени упростить решение важной проблемы повышения термического сопротивления многослойных ограждающих элементов зданий и сооружений.

Простота изготовления таких пенобетонов позволяет приблизить их производство непосредственно к потребителю, что значительно снижает транспортные расходы, расширяет сырьевую базу и в конечном итоге, удешевляет строительство.

Проведенные ранее исследования доказывают принципиальную возможность получения конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных пе-нобетонов с однородной структурой и достаточной устойчивостью к оседанию. Однако использование грубодисперсных песков в теплоизоляционных пенобе-тонах существенно ухудшает устойчивость пенобетонных смесей к осадке и требует применения дополнительных мер по их стабилизации.

Эта проблема может быть решена путем использования физико-технических приемов управления структурообразованием, связанных как с модификацией твердой и жидкой фаз исходных пенобетонных смесей, так и методами физического воздействия на процессы, протекающие на различных стадиях формирования структуры пористых материалов.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и практических рекомендаций по повышению устойчивости пенобетонных смесей на тонких и мелких природных песках с использованием синтетических пожарных пенообразователей при одностадийной поризации в высокоскоростных турбулентных смесителях.

Для достижения поставленной цели рв'^^и^^^шущ^дяд^ощие задачи:

1 ' библиотека 1

! ;тящьщ

- разработать модель осадки пенобетонных смесей на природных тонких и мелких песках;

- на основе модели пенобетонных смесей определить комплекс мер физико-химического воздействия по их стабилизации, дав им теоретическое обоснование;

- провести экспериментальную проверку выработанных мер воздействия с последующей их сопоставительной оценкой.

Научная новизна работы:

- предложена и экспериментально подтверждена модель осадки пенобетонной смеси с использованием грубодисперсных природных песков и синтетических пожарных пенообразователей;

- на основе предложенной модели осадки определено и дано теоретическое обоснование прямого физико-химического воздействия на процессы структу-рообразования пенобетонных смесей, которые сводятся: к рационализации концентрации пенообразователя, увеличению вязкости жидкой фазы и дисперсной смеси в целом, нанесению на поверхность свежеотформованных изделий полимерных пленок, воздействию на шликерную массу электрического поля;

- определены предельно допустимые концентрации синтетических пожарных пенообразователей в шликерах пенобетонных смесей;

- обосновано и экспериментально подтверждено положительное влияние высокомолекулярных гелеобразующих модификаторов жидкой фазы как на процессы стабилизации пенобетонных смесей, так и на формирование структуры конечного продукта;

- теоретически обоснована и экспериментально исследована возможность повышения стабильности пенобетонной смеси за счет поляризационного воздействия на нее постоянного электрического поля;

- теоретически и экспериментально показано эффективное воздействие высокочастотного электрического поля на стабильность пенобетонных смесей и

улучшение физико-механических свойств пенобетонов за счет увеличения фазовых контактов в межпоровых перегородках дисперсных систем;

- впервые изучена возможность ограничения скорости гравитационного разделения фаз в верхних слоях свежеприготовленной пенобетонной смеси путем нанесения быстровысыхающих полимерных пленок.

Практическое значение работы;

- на основании обобщенных теоретических и экспериментальных исследований сформулированы основы технологии получения неавтоклавных пенобетонов с одностадийным приготовлением ячеистобетонной смеси на природных песках и синтетических пожарных пенообразователях. Полученные таким образом пе-нобетоны плотностью 400 - 800 кг/м3 предназначены для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий, а также в монолитном строительстве;

- разработанная технология получения пенобетонов относится как к ресурсосберегающей - получение изделий с минимальной плотностью с использованием тонких и мелких (некондиционных) местных песков, использование пожарных пенообразователей, списанных с боевого дежурства, так и энергосберегающей - возможность исключения ряда промежуточных энергоемких операций (помол наполнителя, использование двойного перемешивания и др.);

- в технологическом регламенте даны рекомендованные составы смесей, дозировки пенообразователей и модификаторов, требования к режимам перемешивания смесей, основные конструктивные узлы агрегатов, рекомендации по организации формования и твердения отформованных изделий;

- даны технологические и конструктивные схемы использования разработанных * приемов в реальном производстве.

На защиту выносятся:

- разработанная модель осадки пенобетонных смесей на грубодисперсных наполнителях;

- теоретическое и экспериментальное обоснование диапазона рациональной концентрации водимых в состав смеси пожарных пенообразователей;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по влиянию высокомолекулярных неорганических и органических модификаторов жидкой фазы в поризованной смеси с целью ее направленного структурообразования;

- теоретическое обоснование и результаты экспериментальной проверки положительного влияния электрических полей (постоянного и высокочастотного) на кинетику формирования структуры пенобетона и его физико-механических свойств;

- идея электрохимического разложения водной составляющей смеси с целью получения газобетона;

- результаты исследований по влиянию полимерных пленок на кинетику разделения фаз поризованной смеси и свойства пенобетонов;

- разработанные общие принципы технологии получения пенобетонных изделий с использованием предлагаемых физико-технологических приемов повышения стойкости пенобетонных смесей к осадке и улучшения эксплуатационных характеристик поризованных композитов.

Достоверность исследований обеспечена:

- использованием действующих государственных стандартов и поверенного оборудования при испытании материалов, методов математического планирования исследований и обработки экспериментальных данных, количества контрольных образцов, обеспечивающих доверительную вероятность 0,95 при погрешности не более 10%;

- основные научные положения и выводы подтверждены с помощью применения комплекса физико-химических методов анализа: дифференциально-термического, дериватографического, рентгенофазового, инфракрасной спектроскопии и др.

Апробация работы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре строительных материалов Ростовского государственного строительного университета. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: Международных научно-практических конференциях «Строительство», Ростов-на-Дону, 2001, 2002,

2003, 2004 гг.; второй Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», Ростов-на-Дону, 2002 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 12 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений; Она изложена на 183 страницах машинописного текста и содержит 37 рисунков, 40 таблиц, 114 литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы и ее цели, задачи исследований, изложение научной новизны и практической значимости, ее общую характеристику.

В первой главе дается аналитический обзор литературы по ячеистым бетонам. Показано, что наиболее перспективной является одностадийная технология получения пенобетонной массы с последующим пропариванием отформованных изделий. Она требует одного смесительного агрегата, соответственно, связана с более простой организацией производства, позволяет выпускать широкую номенклатуру изделий, меняя лишь состав смеси и ее реологические характеристики. Использование низкотемпературного пропаривания по сравнению с автоклавным производством позволяет значительно сократить энергетические расходы..

Известно, что отформованная пенобетонная масса должна обладать достаточной устойчивостью, сохраняя свой объем до момента схватывания. Последнее во многом определяется степенью дисперсности наполнителя, удельная поверхность которого должна быть не менее 1500 см2/г, что требует энергоемкой дорогостоящей операции тонкого помола.

Попытки использовать природные пески в таком производстве натолкнулись на проблему борьбы с осадкой легких пенобетонных смесей, протекающей в течение 2-5 часов после формования.

Проведенный анализ литературных данных по жидко-воздушным механическим пенам и их свойствам, которые во многом определяются природой и строением применяемых ПАВ, пенообразования в присутствии тонкодисперсной фазы, особенностям механизма аэрации пенобетонных смесей при их одностадийном приготовлении с проведением форопытов по их осадке позволили сформулировать рабочую гипотезу, цель работы и задачи исследования.

В настоящей работе сформулирована следующая рабочая гипотеза: получение теплоизоляционных пенобетонов с одностадийной поризацией смесей в турбулентных смесителях при использовании грубодисперсных природных песков и высокократных пожарных пенообразователей возможно путем направленной модификации состава твердой и жидкой фаз и физического воздействия на структурообразующие процессы формирования пористого материала. Устойчивость пенобетонных смесей к осадке можно повысить введением в водную составляющую высокомолекулярных соединений, способных образовать гели, покрытием поверхности свежеотформованных пенобетонов полимерными пленками, обработкой пеномассы высокочастотным или постоянным электрическим полем.

Во второй главе дана характеристика использованных материалов, описана методика проведения всей работы, физико-химических исследований и стандартных технологических испытаний.

Выбор исходных материалов определен требованиями нормативных документов. В качестве вяжущего были использованы бездобавочные портланд-цементы Старооскольского и Новороссийского («Пролетарий») цементных комбинатов. Основная часть экспериментов была выполнена с применением местных тонких и очень мелких песков с модулем крупности 0,51 - 0,8 и добавок тонкодисперсных наполнителей (зола-уноса НГРЭС, «цементная пыль», измельченный уголь, глина и др.). Для аэрации смесей применяли синтетические пожарные пенообразователи ПО-1, ПО-ЗНП, а для стабилизации пен и пе-нобетонных смесей в состав вводили технический казеин, пищевой желатин, жидкое стекло и др.

Вид, размеры и количество опытных образцов, методов определения физико-механических свойств пенобетонов выбирали в соответствии с общепринятыми методиками. Цементно-песчаные шликеры и пенобетонные смеси приготавливали в турбулентном смесителе емкостью 50 л со скоростью вращения активатора 10,2 с"1 . Отформованные образцы, если их не подвергали дополнительной обработке, выдерживали в формах 10-12 часов, а затем подвергали пропариванию при температуре изотермического прогрева 80±5 °С с последующим дополнительным твердением в течение 7 суток в нормальных условиях.

Сущность физических процессов, протекающих на различных стадиях формирования структуры пенобетонов, изучали с помощью измерения поверхностного натяжения динамической вязкости водной составляющей

применения оригинальных методов оценки пенообразующей способности растворов с различными пенообразователями, динамики разрушения отформованных пенобетонных смесей, а также комплексов физико-химических методов анализа: дериватографическим (ДТА), рентгенофазовым (РФА) и инфракрасной спектроскопии (ИКС).

Свойства пенобетонов как сложных многофазных систем исследовали как прямым путем, так и с использованием математического планирования экспериментов с обработкой полученных данных на ЭВМ.

В третьей главе изложена модель осадки пенобетонной смеси с целью определения способов воздействия и их реализации, кинетически затрудняющих этот процесс.

В соответствии с наблюдаемой динамикой изменения реологических свойств свежеприготовленной пенобетонной смеси была высказана гипотеза о двух стадиях разрушения ее структуры, получившая последующее экспериментальное подтверждение.

Первая стадия осадки связана с гравитационным разделением фаз, коа-лесценцией образованных пор, разрушением некоторых поверхностнолежащих

пузырьков воздуха и, как следствие, формированием вертикальных воздушных каналов в условиях постоянного повышения вязкости среды, обусловленного гидратацией клинкерных минералов цемента. Эта стадия сопровождается, при достаточной вязкости, малыми изменениями общего объема системы и отсутствием обвальной коалесценции воздушных пузырьков.

Вторая стадия обусловлена контракцией, т.е. известным существенным уменьшением абсолютного объема системы «твердая фаза + жидкая фазы». Контракция связана с развитием процессов гидратации и началом схватывания. Она является причиной возникновения внутренних напряжений в формирую -щемся цементном камне, что и приводит к разрыву сплошности межпузырьковой среды с последующей коалесценцией пор с выходом воздуха через вертикальные каналы и завершается обвальной осадкой смеси под действием гравитационных сил. Возможность такой агрегации пузырьков воздуха при наличии контракции и термических напряжений, вызванных экзотермическими реакциями гидратации, показана нами в упрощенном варианте путем решения плоской задачи развития механических напряжений в дисперсионной среде.

Двухстадийная модель разрушения пенобетонных смесей подтверждена экспериментально путем измерения при атмосферном давлении относительного объема выделившегося воздуха при осадке. Схема установки по изучению кинетики осадки, приведена на рис.1, а кинетические кривые на рис.2.

Исходя из представленной модели осадки определили следующие пути борьбы с ней:

- уменьшение поверхностного натяжения жидкой фазы, на величину которого могут оказывать влияние состав воды затворения, вид и концентрация пенообразователя;

- увеличение вязкости шликера, вообще и водной составляющей, в частности;

Рис. 1. Установка для изучения кинетики осадки пенобетонных смесей

1 - замкнутая емкость из тонкой резины с пенобетонной смесью;

2 — гибкие полимерные шланги; 3 - бюретка с делениями в мл.;

4 - сосуд из прозрачного полимера, заполненный водным раствором метил-оранжа; 5 - сосуд с водой; 6 - якорный груз.

Рис. 2. Зависимость относительного объема выделившегося из пенобетонной смеси воздуха от времени

- нанесение на поверхность отформованной пенобетонной массы полимерной пленки, способной затормозить фазовую дифференциацию на первой стадии осадки;

- введение в исходный состав шликера высокомолекулярных гелеобразующих компонентов, способных на первой стадии осадки повысить вязкость жидкой фазы, а на второй — демпфировать усадочные напряжения при схватывании вяжущего;

- применение приемов физико-химического воздействия на пенобетонную массу, интенсифицирующих, с одной стороны, гидратацию клинкерных минера-

лов, а с другой - увеличивающие взаимную адгезию частиц формирующегося при схватывании цементного камня.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что поверхностное натяжение, в меньшей степени вязкость водных растворов пенообразователей, включая водную составляющую бетона, взятую в виде цементной вытяжки, возрастают с увеличением жесткости воды. Рост концентрации ионов Са 2+ и Mg 2+ приводит к связыванию основного поверхностно-активного ингредиента ПО - алкилсульфата натрия в труднорастворимые соединения кальция и магния, что вызывает некоторое увеличение поверхностного натяжения и вязкости, но эти изменения не носят определяющего характера.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПО для различного вида исследованных пожарных пенообразователей имеет близкий характер (рис. 3).

Насыщение поверхностного слоя цементной вытяжки молекулами ПО наблюдается при его 1-1,5 %-ной концентрации, при которой растворы имеют наибольшую кратность пены. При этом растворы П0-6НП характеризуются по сравнению с ПО-ЗНП более низким значением поверхностного натяжения, что объясняется дополнительным содержанием в первом мочевины и тио-мочевины, являющимися поверхностно-активными веществами.

Введение в состав цементной вытяжки высокомолекулярных белковых соединений (казеина, желатина), а также растворимого стекла, способных образовывать гели, приводит к росту поверхностного натяжения (рис.4) и вязкости (рис.5). Увеличение вязкости растворов этих модификаторов ведет к росту устойчивости как жидкой пены (рис.6), так и пенобетонной смеси. Так, при содержании казеина 0,1-0,15% не только повысилась устойчивость пенобетонной смеси к осадке, но и в 1,5 раза возросла прочность пенобетона (рис.7). Аналогичный эффект отмечается и при использовании желатина.

Наличие в водной составляющей пенобетонной смеси ионов, полярных молекул воду, тонкодисперсных частиц, цементного клинкера, несущих одно-

именный электрический заряд, не оставят индифферентными процессы, протекающие в этой сложной многофазной системе, к приложенному электрическому полю. Характер и интенсивность его влияния определяется его видом и частотой.

Постоянное электрическое поле с учетом щелочного характера жидкой фазы бетонный смесей при определенных условиях позволяет реализовать электрохимическое разложение воды на водород и кислород с непосредственным получением газобетонной смеси. С другой стороны, за счет поляризации частиц дисперсной фазы и полярных молекул воды постоянное электрическое поле может приводить, наряду с их химическим сродством, к дополнительному «диполь-дипольному» взаимодействию.

Принципиально отличным будет влияние переменного электрического поля. Известно, что частицы вяжущего в растворах несут одноименные элек-

80

0

2

3

4

¡ли, С*

5

—•—по-»нп —«-по -«нп

Рис. 3. Зависимость поверхностного натяжения растворов ПО-ЗНП и ПО-6НП, приготовленных на водной вытяжке из цемента, в зависимости от их концентрации

28

0

2

3

4

5

Рис. 4. Поверхностное натяжение модифицированных 1%-ных растворов ПО-ЗНП

0 12 3 4

Концентрация модиф икйтова. С% И мочммщ тмомочмин* —й— ж«гвтин м яидяов стекло

Рис. 5. Вязкость модифицированных 1%-ых растворов ПО-ЗНП

Рис. 6. Устойчивость пены 1%-ного раствора ПО-ЗНП, модифицированного высокомолекулярными соединениями

Содержание казеина, % Рис. 7. Свойства пенобетонов в зависимости от содержания казеина

трические заряды, обусловленные электрокинетическими процессами, протекающими на границе раздела фаз. Кроме того, в высококонцентрированных дисперсных системах, к которым относятся цементно-песчаные смеси, по классификации П.А. Ребиндера, существуют три типа контактов переплетения между частицами: атомный (точечный), коагуляционный и фазовый (по площади). Наиболее прочными из них являются фазовые. Переменное электрическое поле способно вызвать вынужденные колебания частиц, несущих электрический заряд, увеличивая их кинетическую энергию, ускоряя тем самым процессы гидратации и приводя, в конечном тоге, все виды контактов к фазовым, тем самым ускоряя и углубляя их взаимную адгезию в формирующемся цементном камне. Максимальная амплитуда вынужденных колебаний частиц будет определена их размерами и массой, свойствами среды, а также частотой приложенного электрического поля. Движение частиц в периодическом поле при наличии упругой составляющей и сопротивления среды можно описать известным дифференциальным уравнением вынужденных колебаний:

где т - масса частицы; с - коэффициент, учитывающий упругую составляющую среды; ¡г — коэффициент, учитывающий ее вязкие характеристики; Qo -амплитуда возмущающей силы, а /-ее частота.

Решение этого уравнения с привлечением данных по грансоставу портландцемента, размерам его частиц, пикнометрической плотности показывает, что максимальные значения амплитуды вынужденных колебаний таких частиц лежат в интервале частот 150-300 кГц. Однако в реальных условиях, связанных с процессами гидратации частиц, имеющих при этом далеко не сферическую форму, коллоидации, возникновением новообразований, установлением фазовых контактов и последующей агрегатацией эффективные частоты вынужденных колебаний могут быть существенно ниже.

Приведенные краткие теоретические обобщения по влиянию электрического поля на формирование структуры пенобетона нашли экспериментальное

подтверждение.

Показана принципиальная возможность получения газобетона при электрохимическом разложении части воды затворения. Газовыделение обусловлено окислительно-восстановительными реакциями, протекающими на электродах при подаче на них постоянной разности потенциалов. Путем снятия вольт-амперных характеристик было определено оптимальное значение плотности тока при электролизе, составившее 5 гаА/см2. На цементно-песчаных смесях с Ц:П = 1:1 при В/Т = 0,32 с использованием синтетического пенообразователя в количестве 1 % от массы твердых компонентов при электролизе в течение 30 мин с последующим твердением в течение 7 суток были получены пенобе-тоны с пористостью до 31 %. Поскольку газовыделение происходит только на электродах, недостатком этого метода является необходимость предусмотреть в конструкции реактора, совмещение функции электролизера и перемешивающего устройства.

Экспериментальные исследования по влиянию поляризационного воздействия постоянного электрического поля на формирование структуры пенобе-тонных смесей и пенобетонов выявили достаточную эффективность этого метода, о чем свидетельствуют результаты, приведенные в табл.1. Образцы выдерживались под полем в течение 30 мин.

Во втором составе 10 % массы песка заменены молотым углем, частицы которого ввиду электронного характера проводимости могут играть роль мини-электродов, способствуя тем самым объемному газовыделению за счет электролиза воды. Анализ полученных результатов подтвердил целесообразность обработки пенобетонной смеси постоянным электрическим полем. Во всех случаях отмечается снижение осадки пенобетонной смеси, незначительное снижение пористости пенобетона и существенный рост его прочности (до 30 %). Увеличение плотности тока приводит к росту эффективности его воздействия. Введение молотого угля способствует увеличению пористости пенобетона, но негативно влияет на его прочность.

Таблица 1

Сос тавы Плотность шликера, кг/м3 Свойства пено-бетонной смеси Плотность эл. тока, ИОЛА/см2 Свойства пенобетона

плотность, кг/м3 возду-ховов-лечение, % осад ка, % плотность, кг/м3 предел прочности при сжатии, МПа общая > пористость, %

1 1850 870 53,0 Без обработки 6,0 760 1,11 69,4

3,26 5,5 755 1,20 69,5

5,0 2,0 750 1,30 69,7

6,5 1,2 743 1,41 70,0

2 1890 853 54,5 Без обработки 1,5 698 0,89 72,0

3,4 1,4 680 1,10 72,4

5,7 1,0 660 1,18' 73,5

7,0 0,7 655 1,20 73,7

Исследования по влиянию высокочастотного электрического поля проводили на свежеприготовленных пенобетонных смесях. Согласно предварительно полученным экспериментальным данным их выдерживали под воздействием поля при начальной плотности тока 7-10-4 А/см2 в течение двух часов, т.е. до начала схватывания.

Относительное изменение основных физико-механических свойств пено-бетонов в зависимости от частоты поля по сравнению с образцами, не прошедшими такой обработки, приведены в' табл.2.

Полученные экспериментальные данные в целом совпали с результатами теоретического анализа. При обработке высокочастотным полем в интервале частот 100 - 150 кГц при незначительном снижении плотности прочность пе-нобетонов возрастает до 40 %.

Таблица 2

Частота электрического поля, Гц 510* 5-1(У 10' 5-Ю4 10J 1,5-10' 2-105

Относительное изменение пористости, % 1,5 1,8 2,0 2,3 2,5 2,3 3,1

Относительный прирост прочности, % 0 5 11,5 20,9 40,3 41,2 30,8

Ранее в работах И.П. Артемова, В.А Китайцева и других отмечалось положительное влияние механических колебаний звуковой частоты (200-800 Гц) на физико-механические свойства ячеистых бетонов. Применение электрического поля высокой частоты позволяет достигать тех же результатов, исключая при этом из технологической цепочки сложные по конструкции высокочастотные механических вибраторы.

Поскольку пенобетоны являются сложными многокомпонентными системами, присутствие синтетических пенообразователей, высокомолекулярных соединений, обработка электрическим полем могут существенно влиять на процессы гидратации клинкерных минералов и, возможно, способствовать образованию кристаллогидратов иного состава или стабилизировать те из них, которые могут находиться в метастабильном состоянии. Однако проведенные ИК-спектроскопические, дифференциально-термические и рентгенофазовые исследования показали, что все выше приведенные факторы воздействия на устойчивость пенобетонных смесей к осадке носят физический характер, не затрагивая сути химических процессов. Так, например, дериватограммы образцов контрольного состава и образцов, в состав которых был веден казеин (до 0,1 % от массы твердых компонентов) оказались практически идентичны. То же самое можно сказать и о результатах анализа рентгенограмм. Например, образцы пенобетона контрольные и прошедшие обработку электрическим током характеризуются одинаковым фазовым составом.

В четвертой главе приведены результаты исследований свойств пенобе-тонов с использованием различных технологических приемов повышения устойчивости пенобетонных смесей к осадке. Было установлено, что зерновой состав песка и, в частности, содержание в нем зерен менее 0,16 мм, оказывает значительное влияние на стабильность пенобетонных смесей, что связано с ростом вязкости смеси в целом и уменьшением скорости гравитационной дифференциации фаз. Несмотря на некоторое увеличение В/Т, пенобетоны на песках с минимальным модулем крупности при равной плотности оказывались бо-

лее прочными. Экспериментально доказано, что для получения пенобетонов с плотностью до 600 кг/м3 следует отдавать предпочтение пескам с М до 0,8.

При увеличении доли цемента в пенобетонных смесях естественно повышается прочность пенобетонов и устойчивость пенобетонной смеси к осадке. Однако при изготовлении пенобетонов только на одном цементе в монолитных блоках наблюдаются многочисленные внутренние трещины. Значительно эффективнее вводить в природный песок тонкодисперсные наполнители. Несмотря на возрастающий при этом расход пенообразователя (до 20%), однородность распределения воздушных пузырьков в пенобетоне возрастает, что повышает прочность композита.

Во всех экспериментах увеличение дозировки пенообразователя приводит к снижению плотности пенобетона.. При использовании природных песков, особенно грубодисперсных, уже при дозировках пенообразователя ПО-ЗНП более 2% (по жидкой фазе) происходила полная потеря устойчивости пенобетон-ных смесей.

Наблюдаемая картина объясняется известным в коллоидной химии процессом солюбилизации или коллоидизации пенообразователя с потерей функции поверхностно-активного компонента. Динамику изменения устойчивости жидкой пены, полученной на основе водной вытяжки из цемента в зависимости от концентрации ПО-ЗНП можно проследить на рис.8.

Г 12

О 2 4 в 8 10 12 14

Вр»а.а>н

—•—34 —•—24 —Л—0.50% —и—1%

Рис. 8. Динамика изменения объема жидкой фазы, связанной в пену в зависимости от времени и концентрации ПО ЗНП

При введении в песок тонкодисперсного наполнителя устойчивость пено-бетонных смесей к осадке сохраняется при больших расходах пенообразователя, при этом осадка пенобетонной смеси не превышает 5 %.

Как было показано ранее, введение в шликер пенобетонной смеси определенного количества коллоидных веществ (казеина, желатина и др.) приводит к существенному росту их устойчивости, что благоприятно сказывается на свойствах пенобетона.

В исследованиях были реализованы два двухфакторных эксперимента с использованием симплекс-суммированного плана на вписанной окружности.

При их проведении в качестве факторов варьирования были выбраны вязкость цементно-песчаного раствора (Х1) с постоянным отношением «цемент-песок» и расход добавки - стабилизатора (Х2) в процентах от массы твердых компонентов. Из полученных регрессионных уравнений обратим внимание на зависимость осадки пенобетонных смесей от исследуемых факторов. При использовании казеина регрессионное уравнение имело следующий вид:

О (%) = 0,109+0,051, - 0,0072 + 0,00312 - 0,00522 0,00312.

Анализ полученного уравнения показал, что при оптимальной дозировке казеина 0,12-0,16 % от массы твердых компонентов наблюдается достаточно характерная стабилизация смеси, превышение его дозировки ведет к снижению прочности пенобетона. При использовании желатина полученные закономерности оказались аналогичными. Отличие заключалось только в том, что введение желатина не приводило к снижению прочности бетона.

Введение стабилизирующих коллоидных добавок позволяет упростить технологию приготовления пенобетонов на природных песках и добиваться получения качественных теплоизоляционных изделий.

Эффективным приемом повышения устойчивости пенобетонных смесей к осадке является подавление каналообразования путем нанесения пленок на поверхность свежеотформованных изделий. Так, например, при нанесении пленок жидкого стекла, лаков, растворов полистирола в эфире осадка смесей снижается более, чем в 2 раза.

В опытах по совместному использованию химико-технологических приемов (введение коллоидных веществ и тонкодисперсных наполнителей, обработка постоянным током и токами высокой частоты) по повышению устойчивости пенобетонных смесей отмечается не только существенное снижение осадки (более чем в 2 раза), снижение средней плотности пенобетонов, но и рост их прочности. Причем такая эффективность подтверждается в опытах как с конструкционно-теплоизоляционными, так и с теплоизоляционными пенобе-тонами. Например, в табл.3 приведены результаты испытаний теплоизоляционных пенобетонов одного и того же состава. Вязкость использованных цемент-но-песчаных шликеров при соотношении Ц:П = 1,2:0,8 составляла (310±5) мм по Суттарду, а время аэрации смесей - 4 мин. Кроме контрольных образцов в каждом из двух опытов вторая часть образцов была подвергнута обработке постоянным электрическим током с плотностью (5 - 6)10-4 А/см2 в течение 30 мин, третья - обработке в высокочастотном электрическом поле с частотой 150 кГц и той же плотностью тока и, наконец, четвертая была покрыта лаком из пульверизатора. Все образцы были пропарены, а затем твердели 7 суток в нормальных условиях.

В целом все используемые приемы обработки образцов приводили к снижению осадки уложенной пенобетонной смеси, снижению средней плотности пенобетона и росту прочности. Эффект от проведения того или иного приема стабилизации пенобетонных смесей на природных песках может усиливаться с параллельным воздействием других. Например, в опытах по совместному использованию коллоидных веществ с покрытием поверхности образцов лаком и при введении в шликер до 15 % тонкодисперсного компонента получали качественные теплоизоляционные пенобетоны на песках с модулем крупности до 1,2.

В пятой главе приведен технологический регламент на производство пе-нобетонных изделий с использованием природных песков и пожарных пенообразователей, составлена рецептура пенобетонных смесей для получения пено-бетонов с плотностью 400-500 кг/м3. Опытные проверки результатов исследо

Таблица 3

Вид наполнителя Свойства пенобетонной смеси Особенности обработки образцов Свойства пенобетона

плотность, кг/м3 воздухо-вовлечение, % осадка,0/» средняя плотность, кг/м3 общая пористость, % предел прочности при сжатии, МПа

Природный кварцевый песок с М«р = =0,57 670 64,2 6,2 Контрольные 510 79,7 0,61

3,6 Обработка постоянным ТОКОМ 1 495 80,3 0,64

4,3 Обработка высокочастотным током 505 79,7 0,71

3,2 Покрытие лаком 500 80,1 0,70

То же, с заменой 10% песка на эквивалентную массу сажи 655 64,9 5,2 Контрольные 440 80,4 0,59

3,6 Обработка постоянным током 465 81,4 0,64

3,9 Обработка высокочастотным током 495 80,2 0,66

3,3 Покрытие лаком 470 81,2 0,69

ваний, выполненные в лабораторных условиях, подтвердили возможность реализации предложенных приемов стабилизации пенобетонных смесей без значительных дополнительных инвестиций. Проведена оценка стабильности свойств пенобетона в теле бетонных блоков размером 600x400x200 мм. Испытания на пенобетонных смесях с использованием казеина в качестве стабилизирующей добавки показали несущественную разницу в плотности (до 2,1 %) и прочности (до 3 %) в верхних и нижних слоях фрагментов. Параллельно в этих же опытах были определены специальные свойства пенобетонов. Усадка пенобетона с плотностью 430кг/м3 составила 2,06мм/м, что не превышает требуемой по ГОСТ 25485-89. Средний коэффициент паропроницаемости составил 0,227 мг/м*ч*Па (по ГОСТ не менее 0,2), а коэффициент теплопроводности в опытах

колебался в пределах 0,10Вт/м*°С*ч. Полученные данные соответствуют требованиям к пенобетонам неавтоклавного твердения.

Для практической реализации исследуемых приемов стабилизации пено-бетонных смесей разработана технологическая схема приготовления рабочих растворов добавок-стабилизаторов и принципиальная схема электрообработки -уложенных пенобетонных смесей. Даны рекомендации по подбору нужного1 оборудования.

В заключительной части исследований выполнено технико-экономическое сравнение вариантов приготовления пенобетонов по СН 277-80 и с учетом выработанных приемов получения пенобетонов на природном песке и пожарном пенообразователе. Для сравнения был принят вариант введения в состав смеси раствора казеина. При равной годовой производительности технологических линий 14200м3 предлагаемый вариант изготовления теплоизоляционных плит оказался более экономичным.' Годовая валовая прибыль может, составлять до 1450 тыс.руб., а срок окупаемости инвестиций сокращается на-1 год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена и экспериментально подтверждена двухстадийная модель осадки легкой пенобетонной смеси. Первая стадия обусловлена гравитационным разделением дисперсной системы с разрушением некоторых поверхностно-лежащих пузырьков газа и образованием уходящих в глубь объема смеси каверн. Вторая - вызвана контракцией образующегося цементного камня и температурным градиентом, связанным с тепловыделением при гидратации > минералов клинкера, что приводит к разрыву сплошности межпузырьковой среды и обвальному характеру осадки.

2. На основе предложенной модели определены способы снижения осадки пе-нобетонной смеси на природных песках, которые получили теоретическое и экспериментальное подтверждение. Они сводятся:

а) рационализации качества и количества пенообразователя, увеличению вязкости жидкой фазы и шликерной смеси в целом;

б) нанесению поверхностных полимерных пленок;

в) демпфированию контракционных и термических напряжений при схватывании за счет введения в исходную смесь гелеобразующих компонентов;

г) упрочению первичных связей между частицами при схватывании путем воздействия на дисперсную систему электрическим полем.

3. Установлено, что оптимальная концентрации синтетических пожарных пенообразователей не должна превышать 2 масс. % от жидкой фазы. Введение в цементную вытяжку высокомолекулярных гелеобразующих компонентов (казеин, желатин, растворимое стекло), практически не влияя на поверхностное натяжение, значительно повышает вязкость жидкой фазы и, соответственно, устойчивость жидкой пены и дополнительно демпфирует осадочные -явления в начале твердения, что в 2-3 раза снижает осадку пенобетонных смесей.

4. Нанесение пленкообразующих веществ, как органической, так и неорганической природы на открытую поверхность свежеотформованных изделий оказывает тормозящее влияние на кинетику первой стадии осадки, снижая ее в 1,5-2 раза и, как следствие, повышает однородность получаемого пенобетона.

5. Минеральные частицы цементного клинкера в растворе несут на себе одноименный электрический заряд, в связи с чем процессы, протекающие при гидратации вяжущего в начале его твердения не остаются индифферентными к приложенному внешнему электрическому полю, а характер воздействия будет определяться его частотой.

6. Показано, что постоянное электрическое поле при плотности тока порядка 5*10-4 А/см2 , приложенное в течение 2 ч., вызывая поляризацию жидкой и твердой фаз, интенсифицирует процессы гидратации и агрегатации, снижает в 3-5 раз осадку пенобетонной смеси, увеличивая на 20-30 % прочность пенобетона.

7. Теоретически и экспериментально показано, что эффективное воздействие переменного электрического поля на процессы формирования структуры пенобетона наблюдается на частотах, близких к частотам собственных колебаний заряженных частиц вяжущего, и приводит к росту взаимной адгезации всех твердых составляющих дисперсной смеси. Пропускание электрического тока плотностью (5-6)*10-4 А/см2 в течение 2 ч. при экспериментально установленной оптимальной частоте 150кГц вызывает несущественный прирост плотности пенобетона при 40-50 % увеличения его прочности.

8. Экспериментально исследовано влияние зернового состава песка, расхода вяжущего, введения добавки тонкодисперсного компонента в песок, ее вида и количества на устойчивость пенобетонных смесей к осадке. Установлено, что для получения качественных пенобетонов марки Б600 и ниже модуль крупности песка на должен превышать 0,8. С увеличением доли вяжущего в системе и содержания тонкодисперсных частиц в наполнителе стабильность пенобетонных смесей повышается, но при этом на 20-30% возрастает расход пожарного пенообразователя.

9. С помощью методов математического планирования экспериментов определены рациональные дозировки гелеобразующих веществ (казеина и желатина), составляющие 0,1 - 0,2% от массы компонентов. При совместном использовании предложенных химико-технологических приемов повышения стабильности пенобетонных смесей эффект от их использования, как правило, суммировался, что позволяет использовать грубодисперсные пески с большим модулем крупности в получении теплоизоляционных пенобетонов.

10. Примененные методы физико-химического анализа: дифференциально -термический, дериватографии, рентгенофазовый и инфракрасной спектроскопии, показали, что все рассмотренные виды воздействия на процессы, протекающие при формировании структуры пенобетона носят физический характер и не связаны с протеканием каких-либо химических реакций.

11. Опытные проверки результатов исследований на теплоизоляционных пено-бетонах подтвердили стабильность их свойств в монолитах высотой до 60см,

а установленные экспериментально специальные свойства: усадка при высыхании, теплопроводность, паропроницаемость удовлетворяли требованиям ГОСТ 25485-89.

12. Разработан технологический регламент производства теплоизоляционных изделий из стабилизированного пенобетона на природных песках и пожарных пенообразователях. Даны практические рекомендации по выполнению специфических технологических операций при обработке пенобетонных смесей электрическим током. Проведенный технико-экономический анализ показал возможность существенного снижения инвестиций при организации производства и сокращения сроков их окупаемости при использовании предлагаемой одностадийной технологии по сравнению с производством теплоизоляционных изделий по рекомендациям СН 277-80.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах

1. Мальцев В.Т., Невский В.А., Мальцев Н.В. О потенциальном влиянии тока высокой частоты на устойчивость тонкодисперсных систем //Известия РГСУ. - 2001. - № 6. - С.207-209.

2. Измалкова Е.В., Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А. О некоторых приемах повышения стабильности пенобетонных масс при одностадийном способе приготовления смеси //Железобетон, строительные материалы и технологии в третьем тысячелетии: Межкафедральный сборник.- Ростов-н/Д: РГСУ, 2001. -С.8-12.

3. Мальцев В.Т., Невский В.А., Мальцев Н.В. О потенциальном влиянии высокочастотного электрического поля на устойчивость тонкодисперсных систем. «Стротельство-2001», РГСУ, Ростов-н/Д: 2001. - С. 124.

4. Измалкова Е.В., Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А. Пенобетоны на природных песках с добавкой тонкодисперсного компонента //Материалы Междунар. конф. «Строительство-2002».- Ростов-н/Д, 2002.- С. 60.

5. Мальцев Н.В., Измалкова Е.В, Ткаченко Г.А. О влиянии добавок коллоидных веществ на повышение стабильности пеномасс //Материалы между-нар. конф. «Строительство-2002». - Ростов-на-Дону, 2002.-С. 62.

6. Мальцев Н.В., Ткаченко ГА, Мальцев В.Т., Гольцов Ю.И. Электролитическое разложение водной составляющей высококонцентрированных дисперсных систем //Материалы Междунар. конф. «Строительство-2002».-Ростов-на-Дону, 2002.-С. 123-124.

7. Мальцев Н.В., Ткаченко ГА, Мальцев В.Т. Пенообразователи и свойства их растворов //Материалы Междунар. конф. «Строительство-2002».-Ростов-на-Дону, 2002.- С. 125.

8. Ткаченко ГА, Измалкова Е.В., Мальцев Н.В. Химико-технологические приемы управления структурообразованием пенобетонов на природных песках //Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы второй научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону, РГСУ. - 2002. - С. 337-341.

9. Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А О некоторых технологических приемах повышения качества пенобетонов на природных песках //Материалы Междунар. конф. «Строительство-2003».-Ростов-на-Дону, 2003.-С. 64-65.

10. Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А., Мальцев В.Т. О взаимодействии компонентов смесей в процессе получения пенобетона //Материалы Междунар. конф. «Строительство-2003».- Ростов-на-Дону, 2003.-С. 74-75.

11. Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А., Мальцев В.Т. О некоторых физико-химических методах воздействия на структуру пенобетона // Известия РГСУ. -2004.-№8.-С.

12. Ткаченко Г.А., Измалкова Е.В., Мальцев Н.В. Пенобетоны на природных кварцевых песках //Материалы междунар. конф. «Строительство - 2004». -Ростов-на-Дону, 2004.-С.47-48.

Подписано в печать 19.05.04. Формат 60 х 84/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. заказ 112. Редакционно-издательскиий центр РГСУ. 344022, Ростов н/Д, ул. Социалистическая, 162.

il 123 4 2

Введение

1. Состояние вопроса. Рабочая гипотеза и задачи исследования 1.1 .Аналитический обзор по ячеистым бетонам 1.2.Ячеистобетонная смесь как многофазная система Ж-Т-Г

1.2.1.Жидковоздушная механическая пена и ее свойства

1.2.2.Пенообразование в присутствии тонкодисперсной твердой фазы

1.3.Особенности механизма аэрации пенобетонных смесей при их одностадийном приготовлении 1 АОсадка пенобетонных смесей и ее влияние на физико-механические свойства пенобетонов 1.5.Рабочая гипотеза и частные задачи исследований

2. Характеристика материалов и методика исследований 2.1.Обоснование выбора исходных сырьевых материалов, оценка их качества

2.2.Выбор вида, размеров и количества опытных образцов

2.3.Приготовление пенобетонных смесей, оценка их вязкости, формование и твердение образцов

2.3.1.Подготовка сырьевых материалов

2.3.2.Приготовление цементно-песчаных шликеров и пенобетонных смесей

2.3.3.Обработка отформованных образцов постоянным электрическим током

2.3.4.0бработка свежеотформованных образцов токами высокой частоты

2.3.5. Нанесение пленок на поверхность свежеотформованных образцов

2.3.6.Методика оценки осадки пенобетонных смесей

2.4.Методика определения свойств пенобетонов

2.4.1.Определение плотности 2.4.2.0пределение пористости 2.4.3.Определение предела прочности при сжатии 2.4.4.0пределение усадки при высыхании 2.4.5.Определение теплопроводности 2.4.6.0пределение паропроницаемости 2.4.7.Математическое планирование экспериментов 2.5.Физико-химические методы исследования пен и пенобетонов 2.5.1.Определение поверхностного натяжения растворов 2.5.2.0пределение вязкости растворов

2.5.3.Определение кратности пены и ее стойкости во времени

2.5.4.ИК спектральный анализ

2.5.5.Рентгенофазовый анализ

2.5.6.Дифференциально-термический и дериватографический анализ 3. Исследование механизма осадки пенобетонной смеси на природных песках

3.1 .Модель осадки пенобетона

3.1.1.Общие положения теории к описанию модели осадки пенобетон ной смеси

3.1.2.Исследование кинетики осадки

3.2.Пенообразователи, свойства их растворов

3.3.0 влиянии гелеобразующих веществ на свойства пенобетонных смесей и пенобетонов

3.4.Влияние электрического поля на формирование структуры и свойства пенобетонов

3.4.1.0 потенциальном взаимодействии электрического поля с сырьевой шликерной смесью пенобетонов 3.4.2.Электрохимическое получение газобетона

3.4.3.Методика и результаты исследований по влиянию частоты электрического поля на формирование структуры и свойства пенобетонов

3.4.4.Влияние постоянного электрического поля на формирование структуры и свойства пенобетона

3.4.5.Влияние высокочастотного электрического поля на формирование структуры и свойства пенобетона

3.4.6.Дифференциально-термические и рентгенофазовые исследования процессов взаимодействия компонентов пенобетонных смесей при их твердении

3.5.Выводы

4. Исследование свойств пенобетонов на природных кварцевых песках с использованием технологических приемов повышения устойчивости смесей к осадке

4.1.0 влиянии технологических факторов на свойства пенобетонных смесей и растворов

4.2. Исследование влияния добавок колоидных веществ на свойства пенобетонных смесей и пенобетонов

4.3.Исследование влияния добавок гелеобразующих веществ на свойства пенобетонных смесей и пенобетонов

4.4.Исследование совместного влияния химико-технологических факторов на свойства пенобетонных смесей и пенобетонов

4.5.0собенности структуры изучаемых пенобетонов

4.6.Выводы

5. Практическое использование результатов исследований

5.1 .Технологический регламент на производство пенобетонных изделий на природных кварцевых песках 5.1.1 .Общие положения 5.1.2.Технологическая схема производства

5.1.3 .Требования к сырьевым материалам, шликеру и пенобетонной смеси

-55.1 АКонтроль качества изделий

5.1.5.Хранение и транспортирование изделий

5.1.6.Требования к безопасности производства, охрана труда и окружающей среды

5.1.7.Рекомендуемые составы смесей для пенобетонов марок D400-D

5.2,Опытные проверки результатов исследований 6. Общие выводы /Л Список литературы

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена решению проблемы получения качественных пенобетонных изделий неавтоклавного твердения на природных тонких и мелких песках с использованием синтетических пожарных пенообразователей. Организация производства таких пенобетонов способна существенно снизить материалоемкость, трудоемкость и стоимость строительства, а также в значительной степени упростить решение актуальной проблемы повышения термического сопротивления ограждающих частей зданий и сооружений.

Простота производства пенобетонов неавтоклавного твердения с использованием синтетических пожарных пенообразователей и природных песков позволяет приблизить их к потребителю, что существенно снижает транспортные расходы, расширяет возможности организации новых производств и удешевляет строительство.

Исследования проводились на пенобетонах с одностадийным приготовлением пенобетонной смеси в высокоскоростных турбулентных смесителях путем ее аэрации при интенсивном вращении активатора. Приготовленная легкая пенобетонная смесь легко укладывается в опалубку. Такая технология позволяет просто менять состав и вязкость шликеров, время аэрации и получать, соответственно, широкую номенклатуру пенобетонов от конструкционного назначения до теплоизоляционных.

Исследования доказывают возможность получения конструкционных и конструкционно - теплоизоляционных пенобетонов с однородной структурой и хорошей устойчивостью против оседания. Однако использование грубодис-персных песков в теплоизоляционных пенобетонах существенно ухудшают устойчивость пенобетонных смесей к осадке и требует применения различных приемов их стабилизации.

Эта проблема может быть решена путем использования физико-механических приемов управления структурообразованием, связанных как с модификацией твердой и жидкой фаз пенобетонных смесей, так и методами физического воздействия на процессы, протекающие на различных стадиях структурообразования материалов.

Основные разделы диссертационной работы выполнены в соответствии с тематикой региональной программы "Жилищное строительство'^ рабочей программой "Механохимическая активация сырьевых компонентов в производстве пенобетонов турбулентного приготовления с использованием синтетических пенообразователей".

Целью работы является разработка теоретических основ повышения устойчивости пенобетонных смесей на тонких и мелких природных песках с использованием синтетических пожарных пенообразователей при одностадийном их вспенивании в высокоскоростных турбулентных смесителях путем направленного структурообразования (модификации состава твердой и жидкой фаз смесей и физического воздействия на процессы раннего твердения композиций).

Для решения поставленной цели были реализованы следующие частные задачи:

• предложена модель осадки легких пенобетонных смесей с грубодисперсным наполнителем;

• обоснованы пределы допустимой концентрации синтетических пожарных пенообразователей в водных суспензиях цементно-песчаного шликера;

• выявлено и обосновано влияние органических и неорганических модификаторов структуры пенобетонных смесей на их устойчивость к осадке и свойства пенобетонов;

• изучено и дано обоснование влиянию физических факторов воздействия на структурообразующие процессы ранней стадии твердения пенобетонов, включая нанесение полимерных пленок на поверхность свежеотформован-ных изделий, воздействие электрических полей; разработаны основы технологии и технологический регламент на производство теплоизоляционных изделий и конструкционно-тепло-изоляционных стеновых изделий из исследованных составов пенобетонов с применением комплекса физико-химических приемов стабилизации структуры пенобе-тонных смесей; даны конструктивные схемы использования разработанных приемов в реальном производстве, выполнено ТЭО целесообразности их внедрения.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана модель осадки пенобетонных смесей с использованием тонких и мелких природных песков и синтетических пожарных пенообразователей. Установлены предельные допустимые концентрации синтетических пожарных пенообразователей в шликере пенобетонной смеси. Определено положительное влияние неорганических и высокомолекулярных органической природы модификаторов жидкой фазы на устойчивость пенобетонных смесей к осадке, что положительно сказывается на свойствах пенобетона.

Даны теоретические обоснования, подтвержденные экспериментально, положительного влияния электрических полей, как постоянного, так и высокой частоты, на кинетику формирования структуры пенобетона и его показателей назначения.

Показана принципиальная возможность получения газобетона путем электрохимического разложения водной составляющей шликерной массы бетона.

Впервые показана возможность ограничения скорости гравитационного раздела фаз пенобетонной смеси до момента схватывания клинкерных новообразований в пенобетоне путем нанесения на поверхность свежеотформован-ных изделий полимерных пленок.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

На основании обобщенных теоретических и экспериментальных исследований по физико-химическим методам воздействия на шли керну ю массу сформулированы основы технологии получения неавтоклавных пенобетонов с одностадийным приготовлением ячеистобетонной смеси на природных песках и синтетических пожарных пенообразователях. Пенобетоны плотностью 400-800 кг/м3 предназначены для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий в монолитном строительстве. Разработанная технология получения пенобетонов относится как к ресурсосберегающей — получение изделий с минимальной плотностью с использованием тонких и мелких (некондиционных) местных песков, использование пожарных пенообразователей, списанных с боевого дежурства, так и к энергосберегающим - возможность исключения ряда промежуточных энергоемких операций (помол наполнителя, использование двойного перемешивания и др.).

Описанное изготовление пенобетонных изделий с использованием разработанных технологических приемов подтверждает возможность их реализации и получения качественных пенобетонов.

В технологическом регламенте даны рекомендуемые составы смесей, дозировки пенообразователей и модификаторов, требования к режимам перемешивания смесей, основные конструктивные узлы агрегатов, рекомендации по организации формования и твердения отформованных изделий. Выполненное ТЭО подтверждает целесообразность внедрения разработанной технологии в практику сборного и монтажного строительства. Автор защищает: разработанную модель осадки пенобетонных смесей на грубодисперсных наполнителях;

• теоретическое и экспериментальное обоснование диапазона рациональной концентрации вводимых в состав смеси синтетических пожарных пенообразователей;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния высокомолекулярных неорганических и органических модификаторов жидкой фазы в поризованной смеси с целью ее направленного структурообразова-ния;

• идею использования электрохимического разложения части воды затворения для повышения однородности ячеистобетонной смеси и улучшения ее стойкости к осадке;

• теоретическое обоснование и результаты экспериментальной проверки положительного влияния высокочастотного электрического поля на кинетику формирования структуры пенобетона и его физико-механические свойства;

• результаты исследований по влиянию полимерных пленок на кинетику гравитационного разделения фаз поризованной смеси и свойства пенобетонов;

• разработанные основы технологии получения пенобетонных изделий с использованием предлагаемых физико-механических приемов повышения стойкости пенобетонных смесей к осадке.

Апробация работы:

Материалы диссертационной работы докладывались на международных конференциях в 2001-2003г. (Ростов-на-Дону, РГСУ) и второй международной научно-практической конференции («Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» в 2002г (г. Геленжик, Краснодарского края).

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, включая научные статьи и тезисы докладов на конференциях.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и примечания, изложена на 130 страницах машинописного текста и содержит 37 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 114 источников.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена и экспериментально подтверждена двухстадийная модель осадки легкой пенобетонной смеси. Первая стадия обусловлена гравитационным разделением дисперсной системы с разрушением некоторых поверхностно-лежащих пузырьков газа и образованием уходящих в глубь объема смеси каверн. Вторая - вызвана контракцией образующегося цементного камня и температурным градиентом, связанным с тепловыделением при гидратации минералов клинкера, что приводит к разрыву сплошности межпузырьковой среды и обвальному характеру осадки.

2. На основе предложенной модели определены способы снижения осадки пенобетонной смеси на природных песках, которые получили теоретическое и экспериментальное подтверждение. Они сводятся к: а) рационализации качества и количества пенообразователя, увеличению вязкости жидкой фазы и шликерной смеси в целом; б) нанесению поверхностных полимерных пленок; в) демпфированию контракционных и термических напряжений при схва-'тывании за счет введения в исходную смесь гелеобразующих компонентов; г) упрочению первичных связей межд^ частицами при схватывании путем воздействия на дисперсную систему электрическим полем.

3. Установлено, что оптимальная концентрации синтетических пожарных пенообразователей не должна превышать 2 масс. % от жидкой фазы. Введение в цементную вытяжку высокомолекулярных гелеобразующих компонентов (казеин, желатин, растворимое стекло), практически не влияя на поверхностное натяжение, значительно повышает вязкость жидкой фазы и, соответственно, устойчивость жидкой пены и дополнительно демпфирует осадочные явления в начале твердения, что в 2-3 раза снижает осадку пенобетонных смесей.

4. Нанесение пленкообразующих веществ, как органической, так и неорганической природы на открытую поверхность свежеотформованных изделий оказывает тормозящее влияние на кинетику первой стадии осадки, снижая ее в 1,5-2 раза и, как следствие, повышает однородность получаемого пенобетона.

5. Минеральные частицы цементного клинкера в растворе несут на себе одноименный электрический заряд, в связи с чем процессы, протекающие при гидратации вяжущего в начале его твердения, не остаются индифферентными к приложенному внешнему электрическому полю, а характер воздействия будет определяться его частотой.

6. Показано, что постоянное электрическое поле при плотности тока порядка 5-10"4 А/см2 , приложенное в течение 2 ч., вызывая поляризацию жидкой и твердой фаз, интенсифицирует процессы гидратации и агрегатации, снижает в 3-5 раз осадку пенобетонной смеси, увеличивая на 20-30 % прочность пенобетона.

7. Теоретически и экспериментально показано, что эффективное воздействие переменного электрического поля на процессы формирования структуры пенобетона наблюдается на частотах, близких к частотам собственных колебаний заряженных частиц вяжущего, и приводит к росту взаимной адгезации всех твердых составляющих дисперсной смеси. Пропускание электрического тока плотностью (5-6)-10"4А/см2 в течение 2 ч. при экспериментально установленной оптимальной частоте 150кГц вызывает несущественный прирост плотности пенобетона при 40-50 % увеличения его прочности.

8. Экспериментально исследовано влияние зернового состава песка, расхода вяжущего, введения добавки тонкодисперсного компонента в песок, ее вида и количества на устойчивость пенобетонных смесей к осадке. Установлено, что для получения качественных пенобетонов марки D600 и ниже модуль крупности песка на должен превышать 0,8. С увеличением доли вяжущего в системе и содержания тонкодисперсных частиц в наполнителе стабильность пенобетонных смесей повышается, но при этом на 20-30% возрастает расход пожарного пенообразователя.

9. С помощью методов математического планирования экспериментов определены рациональные дозировки гелеобразующих веществ (казеина и желатина), составляющие 0,1 - 0,2% от массы компонентов. При совместном использовании предложенных химико-технологических приемов повышения стабильности пенобетонных смесей эффект от их использования, как правило, суммировался, что позволяет использовать грубодисперсные пески с большим модулем крупности в получении теплоизоляционных пенобетонов.

10. Примененные методы физико-химического анализа: дифференциально — термический, дериватографии, рентгенофазовый и инфракрасной спектроскопии, показали, что все рассмотренные виды воздействия на процессы, протекающие при формировании структуры пенобетона носят физический характер и не связаны с протеканием каких-либо химических реакций.

11. Опытные проверки результатов исследований на теплоизоляционных пенобетонах подтвердили стабильность их свойств в монолитах высотой до 60см, а установленные экспериментально специальные свойства: усадка при высыхании, теплопроводность, паропроницаемость удовлетворяли требованиям ГОСТ 25485-89.

12. Разработан технологический регламент производства теплоизоляционных изделий из стабилизированного пенобетона на природных песках и пожарных пенообразователях. Даны практические рекомендации по выполнению специфических технологических операций при обработке пенобетонных смесей электрическим током. Проведенный технико-экономический анализ показал возможность существенного снижения инвестиций при организации производства и сокращения сроков их окупаемости при использовании предлагаемой одностадийной технологии по сравнению с производством теплоизоляционных изделий по рекомендациям СН 277-80.

1. Шатова В., Шкрдлин Я. Пористые бетоны. Семирк. - М.: Госстройиз-дат., 1962.-230с.

2. Брюшков А.А. Газобетон. -М: Институт прикл. минерал, 1931.

3. Попов Н.А. Новые виды легких бетонов. — М.: Строй ЦНИЛ, 1939. -193с.

4. Солодовник А.Б. Определение пористости вспучивающейся смеси при постоянной скорости газообразований. // В сб. трудов РПИ, Исследование по механике строительных материалов и конструкций. Рига: РПЦ. 1970, - т. V.

5. Солодовник А.Б. Модель изменения пористости вспучивающейся двухфазной среды. // В сб. трудов РПИ, Исследование по механике строительных материалов и конструкций. — Рига: РПИ, 1970. т. V.

6. Меркин А.П. Научные и практические основы получения структуры и свойств поризованных бетонов: Автореф. дисс. докт. техн. наук. М., 1971

7. Меркин А.П., Кобидзе Т.Е. Особенности структуры и основы технологии получения эффективных пенобетонных материалов // Строительные материалы. 1988. - №3. - с. 16-18.

8. Меркин А.П. Новое поколение поризованных бетонов для монолитного домостроения // Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии: Тез. допл. Всесоюзной конференции. Белгород: 1991.-е. 15-16.

9. Щуйский А. И. Оптимизация процессов структурообразования и повышения качества газобетонных изделий: Автореф. дисс. канд. техн. наук. — Ростов-на-Дону, 1983.

10. Гаджилы Р.А. Газопенный способ изготовления ячеистых бетонов пониженного объемного веса и исследование их свойств: Авторев. дисс. канд. техн. наук Москва-Баку, 1968.

11. Ребиндер П.А. Физико-химические основы производства пенобетонов // Известия АН СССР ОТН 1937. - №4.

12. Кауфман Б.Н. Пенобетон. Подбор состава и основные свойства. —М.: Строй ЦНИЛНКЛП СССР, 1938.

13. Попов Н.А. Новые виды бетонов. -М: Строй ЦНИЛНКЛП, 1939. -193 с.

14. Кудряшев И.Т. Автоклавные ячеистые бетоны на основе пены // Бетон и железобетон. 1956. - №4 - С. 130-132.

15. Кудряшев И.Т., Куприянов В.П. Ячеистые бетоны. -М.: Госсстройиз-дат, 1959.- 181 с.

16. Кудряшев И.Т. О некоторых технологических факторах изготовления изделий из автоклавного газо- и пенобетона. -М.: Строительные материалы, 1959.- 174 с.

17. Крашенинников А.Н. Автоклавный термоизоляционный пенобетон. -М -Л.: Гос. энерг. изд., 1959. 226 с.

18. Баранов А.Т. Пенобетон. Пеносиликат. -М.: Промстройиздат, 1956. -80 с.

19. Баранов А.Т., Бужевич Т.А. Золобетон. -М.: Госстройиздат, 1960. -217с.

20. Рамчардан B.C. Добавки в бетон. Справочное пособие. — М.: Стройиз-дат, 1988.

21. Черных В.Д., Маштаков А.Ф. Неавтоклавный пенобетон пониженной плотности. «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии». — Ростов-на-Дону: 2002.-С. 349-351.

22. Таубе П.Р. Исследование в области применения ПАВ в технологии ячеистых бетонов. // Докл. на соиск. учен, степени докт. техн. наук, Л.: 1971.

23. Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества. — М.: Знание, 1961, -С.46.

24. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика из получения и разрушения. -М.: Химия, 1983. 264 с.

25. Абрамизон А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства их применения.-Л.: Химия, 1981. 304 с.

26. Шварц А., Перри Дж. Берч Дж. Поверхностно-активные вещества и моющие средства. Пер. с англ. М.: Мир, 1966. - 320 с.

27. Карибаев К.К. Поверхностно-активные вещества в производстве вяжущих материалов. Алма-Ата: Наука, 1980. - 336 с.

28. Казаков М.В., Лосева В.П. Пенообразование, его зависимость от строения и конструкции ПАВ. // Сб. ПАВ и их применение в химической и нефтяной промышленности. Киев: Наукова думка, 1971. - С. 37-38.

29. Кругляков П.М. Пены и пенные пленки. М.: Химия, 1990. — 432 с.

30. Кучма М.Н. ПАВ в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1980.35 с.

31. Шелудько А.В. Коллоидная химия. -М.: Мир, 1984. 314 с.

32. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. — М.: Наука, 1978.-368 с.

33. Гельфанд Ф.М., Журавлев В.П. и др. Новые способы борьбы с пылью в угольных шахтах. М.: Недра, 1975. - 288 с.

34. Гродель Г.С., Кривохижи Б.И. Результаты оценки пенообразователей для борьбы с угольной пылью // Тр. ДНИ. Борьба с газом и выбросами в угольных шахтах. Донецка: ДЛИ, 1973. - Вып. 9. - С. 78-83.

35. Журавлев В.П. Совершенствование гидрообеспыливания очистных и подготовительных угольных забоев: Автореф. дисс. докт. техн. наук. — Караганда, 1973.

36. Ребиндер П.А., Шрейнер J1.A., Жигач К.Ф. Показатели твердости в бурении. Физико-химический метод облегчения механического разрушения твердых горных пород при бурении. М. - Д.: Изд-во АН СССР, 1944.

37. Кассен A.M. Вопросы теории аэрации и флотации. — М.: Госхимиздат, 1949.- 188 с.

38. Годен A.M. Флотации. М.: Металлургиздат, 1961. - 653 с.

39. Глембоцкий В.А., Кассен A.M. Флотации. М.: Недра, 1973. - 384 с.

40. Фрушкин А.Н. О явлениях смачивания и прилипания пузырьков //Журн. физ. химии. 1938 - Т12 - №4.

41. Фоменко Т.К., Кондратенко А.Ф. Отходы флотации и их свойства. -М.: Недра, 1977.-С. 23-25.

42. Емельянов Д.Р. Теория и практика флотации угля. М.: Углетехиздат, 1954.-С. 17-42.

43. Исследования в области поверхностных сил. // Сб. докладов на II конференции по поверхностным силам. — М.: Наука, 1964.

44. Измалкова Е.В., Ткаченко Г.А. Влияние вида и концентрации пенообразователей на свойства мелопенобетонов. // Материалы международной научно-практической конференции «Строительство». Ростов-на-Дону: 2003. — С. 68-69.

45. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. — М.: Стройиздат. 1981. С.97.-18251. Зедгинидзе И.Г. Математическое планирование эксперимента для исследования и оптимизации свойств смесей. Тбилиси: Мецниереба, 1971. - 152 с.

46. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. — М.: Наука. 391 с.

47. Налимов В.В. Теории эксперимента. М.: Наука, 1971. - 208 с.

48. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука 1971. 105 с.

49. Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Огарков Б.Л., Методические указания по построению математических моделей. Одесса: ОИСИ, 1982. -95 с.

50. Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Огарков Б.Л. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ. — Киев: Высшая школа, 1985.-328 с.

51. Методические рекомендации по планированию эксперимента в технологии стройматериалов. — Челябинск: Урал НИИ стройпроект, 1973.- 40 с.

52. Методические рекомендации по планированию эксперимента в технологии стройматериалов. Челябинск: Урал НИИ стройпроект, 1976. -41 с.

53. Методические указания. Разработка рецептуры и выбор параметров армирования пресованных цементно-минеральных композиций. Ростов-на-Дону: РГАС. - 20 с.

54. Митрофанов П.П. Практикум по физической и коллоидной химии.- М.: Медгиз, 1950. 182 с.

55. Филиппов С.И. и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. — М.: Металлургия, 19 68. 551- с.

56. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР- спектроскопии в органической химии. — М.: Высшая школа, 1970. 369 с.

57. Лазарев А.Н., Миргородский, Игнатьев И.С. Колебательные спектры сложных окислов. Силикаты и их аналоги. — Л.: Наука, 1975. — 296 с.

58. Бокий Г.Б., Порай-Кошиц М.А. Рентгеноструктурный анализ. М.: Изд-во МГУ, 1964.

59. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1973. — 498 с.

60. Зубехин А.П., Голованова С.П., Яценко Е.А. и др. Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. — Новочеркасск.: -1999.-273 с.

61. Гайджуров П.П., Грачьян А.Н., Зубехин А.П. и др. Физико-химические методы исследования цементов (учебное пособие). Новочеркасск.: РИО,1973. -187 с.

62. Горшков B.C., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.69. 1995 JCPDS International Centre for Difraction Date. All rights reserved.

63. Горшков B.C. Термография строительных материалов. -M.: Высшая школа, 1968.-240 с.

64. Тимашев В.В., Каушанский В.Е. Технический анализ и контроль производства вяжущих материалов и асбестоцемента. — М.: Стройиздат, 1974. 277 с.

65. Урьев Н.Б. Физико-химическая механика в технологии дисперсных систем.-М.: Знание, 1975.

66. Уилкинсон У.Л. Ньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен. М.: Мир, 1964.

67. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М.: Наука, 1968. -478 с.

68. Шестоперов С.В. Технологии бетона. — М.: Высшая школа, 1977. 432с.

69. Бабушкин В.И. и др. Термодинамика силикатов. М.: Стройиздат, 1986, 406 с.

70. Полак А.Ф., Хабибулин Р.Г. Гидратация и твердение вяжущих. — Уфа: НИИ промстрой, 1978. С.ЗЗ.

71. Лурье А.И. Пространственные задачи теории упругости. М.: Гостех-издат, 1955. -491 с.

72. Новацкий B.C. Теория упругости. М.: Мир, 1975. - 872 с.

73. Николаевский В.Н. и др. Механика насыщенных пористых сред. -М.: Наука, 1970.-336 с.

74. Смирнов А.Ф. и др. Строительная механика. М.: Стройиздат, 1984. -415 с.

75. Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А., Мальцев В.Т. Пенообразователи и свойства их растворов //Строительство 2002.: Матер, междун. научно-практ. конф. — Ростов-на-Дону: МО РФ, РГСУ, 2002. С. 125.

76. Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А., Мальцев В.Т. О взаимодействии компонентов смесей в процессе получения пенобетонов // Строительство 2003: Матер. междун. научно-практ. конф. Ростов-на-Дону: МО РФ, РГСУ, 2003. -С.74-75.

77. Русанов А.И. Термодинамика поверхностных явлений: Л.: ЛГУ, 1960.

78. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: Издат. ин. лит., 1963.

79. Киреев В.А. Курс физической химии. М.: Химия, 1975. - 775 с.

80. Мальцев Н.В., Измалкова Е.В., Ткаченко Г.А. О влиянии добавок коллоидных веществ на повышение стабильности пеномасс // Строительство 2002.: Матер, междун. научно-практ. конф. Ростов-на-Дону: МО РФ, РГСУ, 2002. — С.62-63.

81. Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А., Мальцев В.Т. О некоторых физико-химических методах воздействия на структуру пенобетона // Известия РГСУ — Ростов-на-Дону: РГСУ, 2004. №8, - С.

82. Мальцев Н.В., Ткаченко Г.А. О некоторых технологических приемах повышения качества пенобетонов на природных песках. // Строительство 2002: Матер, междун. научно-практ. конф. Ростов-на-Дону: МО РФ, РГСУ, 2002. -С.64-65.

83. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. М.: Химия, 1974. - кн. 2, - 744 с.

84. Зубехин А.П., Страхов В.И., Чеховский В.Г. Физико химические методы исследования тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, С-Пб, Синтез, 1995 - 190с.

85. Мальцев В.Т., Невский В.А., Мальцев Н.В. О потенциальном влиянии тока высокой частоты на устойчивость тонкодисперсных систем. //Известия РГСУ. Ростов-на-Дону: РГСУ. - №6. - С. 207-209.

86. Мальцев В.Т., Невский В.А., Мальцев Н.В. О влиянии тока высокой частоты на устойчивость тонко дисперсных систем. // Строительство, 2001: Матер. междун. научно-практ. конф. Ростов-на-Дону: МО РФ, РГСУ, 2001.

87. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. -М. Наука, 1966.-63.

88. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. — М.: Химия, 1980. 319 с.

89. Справочник химика / Под. ред. Б.П. Никольского. М.: Химия, 1964. -т.2, - 1168 с.

90. Богоуцкий B.C. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. - 400 с.

91. ГОСТ 25818-91. Зола-унос тепловых электростанций для бетона. Технические условия.

92. Штаерман. Выброактивированный бетон. — Тбилиси: Сабчата Са-картвела, 1963. 180 с.

93. Десов А.Е. Вибрированный бетон. — М.: Госстройиздат, 1956. 229с.

94. Руденко И.Ф. Теория формирования бетона. М.: 1969. - С.45.

95. Трищенко И.В. Методические указания «Оценка эффективности инвестиций». Ростов-на-Дону, РГСУ, 2003, 36с.

96. Артемов И.И. Исследование влияния высокочастотной вибрации на физико-технические свойства ячеистых бетонов.: Автореф. дисс. канд. техн. наук. — М.: 1968.

97. Ахвердов И.Н., Шалимо М.А. Влияние вибрации и ультразвуковых колебаний на формирование структуры цементного камня //Бетон и железобетон. 1960. - №9.

98. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. -463 с.

99. Речур М., Гинье А. Кристаллохимия компонентов портландцемент-ного клинкера // Шестой международный конгресс по химии цемента: Труды в 3 т. Т.1. Химия цементного клинкера // Под общей ред. А.С. Бондарева. М.: Стройиздат, 1976. - С. 25-51.

100. Зубехин А.П., Голованова С.П., Кирсанов П.В. Ростов-на-Дону: 2004.-263 с.

101. Измалкова Е.В. Структурообразование и свойства мелопенобетонов с одностадийной поризацией смеси в турбулентных смесителях: Автореф. дисс. канд. техн. наук. — Ростов-на-Дону, 2000.

102. Рекомендации по технико — экономической оценке способов изготовления железобетонных конструкций и изделий НИИЖБ ГОССТРОЯ СССР Москва 1988