автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Структурообразование и свойства фибропенобетонов неавтоклавного твердения

МОРГУН Любовь Васильевна

На правах рукописи

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА ФИБРОПЕНОБЕТОНОВ НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

(теория и методология рецептурно-технологического регулирования)

05.23.05 - строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону 2005

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете

Научный консультант: академик РААСН, доктор технических наук,

профессор Комохов П.Г.

Официальные оппо ненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный строитель РФ Бабков В.В. доктор технических наук, профессор Перцев В.Т.

доктор технических наук, профессор Чистов Ю.Д.

Ведущая организация: ОАО "Ростовский ПромСтройНИИПроект"

Защита состоится 15 марта 2005 года в 10 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.207.02 Ростовского государственного строительного университета по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, корпус 1, ауд. 232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета

Автореферат разослан 1 февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212

Л.И. Касторных

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Важнейшей задачей современного строительства является повышение эффективности, качества, экологической безопасности, надежности и долговечности конструкций и сооружений с учетом снижения материалоемкости и капитальных затрат. Существенную по объему и значимости группу строительных материалов составляют легкие бетоны. Использование в строительстве высокоэффективных бетонов позволяет создавать ограждающие конструкции, отвечающие современным требованиям архитектуры, градостроительства, комфортности жилья, сокращать материалоемкость и затраты на возведение зданий и их эксплуатацию. Все большее применение получают ограждающие конструкции из ячеистых бетонов, привлекающие пристальное внимание ученых и практиков.

Понимание ограниченности материальных ресурсов на планете Земля привело к тому, что развитые страны ещё в середине XX века приняли жесткие нормативы, регламентирующие размеры тепловых выбросов в окружающую среду. В России, новые требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций вступили в действие с 01.01.2000 г. (СНиП П-3-79* "Строительная теплотехника"). Необходимость соблюдения этих требований вынуждает применять при возведении зданий новые строительные материалы и технологии. Поскольку государство, с одной стороны, резко ограничивает негативное влияние результатов жизнедеятельности населения на экологическое равновесие окружающей среды, а с другой - законодательно создает условия для снижения расходов энергии на поддержание комфортного теплового режима в зданиях (отопление и кондиционирование).

По мнению многих специалистов, оптимальным конструктивным решением противоречивой проблемы улучшения теплозащитных свойств и увеличения долговечности ограждающих конструкций зданий, являются одно-или двухслойные (в сочетании с кирпичом) стены из ячеистых бетонов плотностью 400...600 кг/м3. В условиях постоянного и быстрого роста цен на энергоносители особой привлекательностью обладают изделия из ячеистых

бетонов неавтоклавного твердения. Независимо от технологии приготовления практически все разновидности пенобетонов естественного твердения характеризуются интенсивным развитием усадочных деформаций в период набора прочности. Причем с уменьшением плотности усадка возрастает и у пенобетонов плотностью 300...400 кг/м3 может достигать 7 мм/м. Высокая усадочная деформативность предопределяет низкие эксплуатационные свойства материала.

При дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами возможно снижение усадочных деформаций в несколько раз. В связи с этим изделия из дисперсно армированных пенобетонов при малой энергоемкости их изготовления должны отличаться существенно лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению с традиционно применяемыми в строительстве пеноматериалами. Поэтому актуальны исследования, направленные на создание новых видов эффективных ячеистых бетонов и установление закономерностей их структурообразования.

Трудами ученых страны: Г.А. Айрапетова, К.К. Ахмедова, В.В. Бабкова, Ю.М. Баженова, П.И. Боженова, А.Т. Баранова, ВА. Вознесенского, Х.С. Воробьева, В.А Воробьева, Р.А Гаджилы, А.С. Коломацкого, П.Г. Комохова, С.Ф. Кореньковой, ИА. Лобанова, У.Х. Магдеева, У.К. Махамбетовой, Г.В. Несветаева, В.Т. Перцева, А.П. Прошина, И.А. Рыбьева, Г.П. Сахарова, Л.Б. Сватовской, М.М. Сычева, Е.М. Чернышева, Ю.Д. Чистова, Е.И. Шмитько, А.А. Федина, И.Б. Удачкина, Т.А. Уховой и других внесен большой вклад в разработку теоретических и практических основ управления структурообразованием и свойствами бетонов, в том числе и ячеистых. Однако до сих пор недостаточно полно изучены особенности структурообразования пенобетонных смесей с заданными физико-механическими и деформативными свойствами, что существенно ограничивает технико-экономическую эффективность применения таких материалов в практике строительства. В связи с этим автором выполнен обширный комплекс исследований в области направленной организации структуры пенобетонных смесей с целью получения

улучшенных физико-механических свойств, разработаны научно обоснованные технологические принципы получения таких материалов широкого спектра назначения.

В основу работы положена гипотеза о том, что повышение агрегативной устойчивости смесей в период преобладания вязких связей между компонентами способствует уменьшению количества дефектов структуры в затвердевших бетонах, что достигается введением в зернистую дисперсную систему - пенобетонную смесь - протяженных поверхностей раздела фаз в виде синтетических волокон (фибры).

Целью работы является развитие научных представлений о закономерностях формирования структуры фибропенобетонов и разработка теоретических и методологических принципов рецептурно-технологического регулирования их свойств. Для достижения поставленной цели:

- изучались особенности массопереноса при формировании вязкой и упруго-пластичной структур пенобетонных смесей;

- выявлен эффективный вид волокнистых материалов, пригодный для применения в технологии пенобетонов;

- установлены характер и мера влияния синтетической дисперсной арматуры на особенности массопереноса и процессы структурообразования в пенобетонных смесях;

исследованы физико-механические и деформативные свойства фибропенобетонов;

- разработаны технологические способы и практические рекомендации по управлению агрегативной устойчивостью смесей и физико-механическими свойствами затвердевших бетонов;

- разработана научно обоснованная методика проектирования состава пенобетонных смесей;

- осуществлена апробация и промышленное внедрение результатов исследований.

Научная новизна. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние размеров длинноволокнистых дисперсных частиц на скорость формирования кластерных агрегатов в газонаполненных дисперсных системах.

Установлена зависимость интервала водосодержания агрегативно устойчивых дисперсных систем от степени насыщения длинноволокнистыми дисперсными частицами. Сформулированы основные технологические принципы повышения агрегативной устойчивости пенобетонных смесей за счет дисперсного армирования волокнами.

Научно обосновано и экспериментально установлено влияние длины армирующих волокон на кинетику тепловыделения и скорость формирования упруго-пластичных связей между компонентами твердой фазы. Сформулированы принципы назначения допустимой длины волокон в зависимости от высоты формуемого массива.

Установлены закономерности механизма повышения плотности цементного камня в зоне его контакта с длинноволокнистыми дисперсными частицами с учетом неравномерности распределения плотности энергий на границах раздела фаз.

Развиты теоретические положения о структурных особенностях газонаполненных смесей, которые впервые позволили:

классифицировать пенобетонные смеси, как суспензии композиционного типа, в которых плотность дисперсных фаз различается более чем на два математических порядка, а твердая и газовая фазы способны менять величину дисперсности в период, когда агрегативная устойчивость компонентов обеспечивается только вязкими силами;

выявить новые аспекты закономерностей массопереноса, обеспечивающие возможность формирования и сохранения пленок ПАВ на границах раздела "газ - жидкость" со свойствами жидких кристаллов; научно обосновать зависимость агрегативной устойчивости структуры и свойств бетона от кинетики пластической прочности смесей;

установить критерии выбора вещественной природы дисперсных волокнистых частиц с позиций эффективности их применения в технологии пенобетонов;

предложить методику расчета целесообразного расхода дисперсной арматуры с учетом её геометрических параметров и водосодержания смесей.

Научно обоснована и экспериментально подтверждена эффективность управления капиллярной пористостью пенобетонов путём дисперсного армирования полиамидными волокнами. Установлено влияние дисперсного армирования на способность пенобетона сорбировать и транспортировать парообразную влагу.

Теоретически обосновано повышение прочности пенобетонов при дисперсном армировании за счет диссипации энергии от внешней нагрузки. Получен материал, превосходящий по своим показателям численные значения равноплотных аналогов.

Определены методологические принципы рецептурно-технологического регулирования процессов производства фибропенобетонов по критериям энергоёмкости и качества выпускаемой продукции.

Научная новизна исследований подтверждена патентами РФ на изобретения.

Практическая значимость состоит в разработке реализуемых на практике методологических основ энергосберегающей технологии фибропенобетона неавтоклавного твердения, характеризующегося по сравнению с традиционными видами ячеистых бетонов комплексным улучшением физико-механических свойств, обеспечивающих снижение материалоемкости строительства.

Предложена научно обоснованная, достоверная и удобная для технологической практики методика проектирования состава пено- и фибропенобетона. Результаты исследований использованы при разработке и подготовке нормативных документов по технологии изготовления

фибропенобетона неавтоклавного твердения и изделий из него.

На основе представленных в диссертации результатов исследований решены прикладные задачи повышения качества строительной продукции, комплексного снижения энерго- и трудозатрат на этапах:

- изготовления изделий;

- возведения из них строительных конструкций;

- эксплуатации конструкций в составе строительных объектов.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы включены в Государственную программу "Строительство доступного жилья", комплексную целевую программу развития производства строительных материалов в Ростовской области на 2004 - 2008 гг. Защищаемая технология прошла производственную проверку в ЗАО "ФИПЕБ". Используется в соответствии с лицензионным договором № 15139/02, зарегистрированном в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (Роспатенте). ЗАО "ФИПЕБ" осуществляет серийное изготовление стеновых блоков, теплоэффективных перемычек, галтелей, плит утепления фасадов и других изделий.

Результаты исследований включены в нормативные документы: ТУ 5830-017-02069111-96 "Блоки из фибропенобетона конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные", Ростов н/Д, 1996. - 20 с.

- ТУ 5767-033-02069119-2003 "Изделия из фибропенобетона", Ростов н/Д, 2003. -17 с.

- ТУ 5828-035-02069119-2004 "Перемычки из фибропеножелезобетона для жилых и общественных зданий", Ростов н/Д, 2004. - 37 с.

Разработаны:

- Рекомендации по изготовлению изделий из неавтоклавного фибропенобетона для сельского строительства. - Ростов н/Д, СевкавЗНИИЭПсельстрой, 1984.- 24 с.

- Рекомендации по изготовлению и применению фибропенобетона неавтоклавного твердения средней плотностью 400...600 кг/м3. Ростов н/Д:

Северо-Кавказский научный центр высшей школы, 1993. - 18 с.

- Техническая документация для изготовления пенобетонов неавтоклавного твердения в АО "Дон". Усть-Донецк Ростовской области, 1995. - 38 с.

- Техническая документация по технологии монолитного фибропенобетона на нетрадиционных заполнителях для АО "Дон". - Усть-Донецк Ростовской области, 1997. - 35 с.

- Технологический регламент на производство блоков из фибропенобетона конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных. - Ростов н/Д, 1996. -19 с.

- Технологический регламент на производство стеновых изделий из фибропенобетона для АО "Строй-Три". - Самара, 1997. - 21 с.

- Технологический регламент на производство фибропенобетона плотностью 700.. .800 кг/м3 для ООО МПФ "ТЕМП".- Ростов н/Д, 2001 .-19 с.

- Технологический регламент на производство изделий из фибропенобетона для ЗАО "ФИПЕБ". - Ростов н/Д, 2003. - 21 с.

Издано учебное пособие "Физико-химические основы механики

композиционных материалов". -Ростов н/Д, РГАС, 1994. - 74 с.

На защиту выносятся:

- методологические принципы управления структурообразованием газонаполненных дисперсно-зернистых систем с помощью протяженных поверхностей раздела фаз;

- теоретическое обоснование и общие закономерности влияния протяженных поверхностей раздела фаз - дисперсной арматуры на меру агрегативной устойчивости пенобетонных смесей и физико-механические свойства затвердевших бетонов;

- теоретические разработки и практические данные по проблеме структурообразования пенобетонных смесей с позиций механики дисперсных систем, коллоидной и физической химии, физики растворов;

- научные и экспериментальные результаты комплексных исследований вязко-пластических, структурных и физико-механических свойств пено- и

фибропенобетонов;

- научно обоснованная методика проектирования составов пено- и фибропенобетона;

- результаты внедрения технологии фибропенобетона в промышленность стройиндустрии и в практику строительства.

Вклад автора в разработку проблемы состоит в научной и методологической постановке задач исследований, создании геометрических моделей пено- и фибропенобетона, развитии научных представлений о закономерностях структурообразования пено- и фибропенобетонных смесей, разработке методики оценки равномерного распределения дисперсной арматуры по объему пенобетонной смеси, создании нового метода проектирования состава пенобетона, выполнении экспериментальных исследований и получении новых научных и практических результатов, внедрении в производство научно обоснованных технических и технологических рекомендаций.

Достоверность результатов работы обеспечена применением достижений фундаментальных наук для управления процессами формирования структуры пено- и фибропенобетонов, использованием современных методов изучения структурообразования и структуры композиционных материалов. При выполнении экспериментальных исследований использовалось аттестованное и поверенное оборудование, соблюдались стандарты на методы испытаний. Доказательность ряда научных положений подтверждена независимыми результатами исследований. Основные численные результаты и количественные закономерности получили вероятностную оценку на основании статистической обработки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

на научно-технических конференциях Ленинградского инженерно-строительного института в 1979-1983 гг.;

- на президиуме научно-технического центра сельскохозяйственного

строительства Эстонской ССР, г. Таллинн, 1982 г.;

- VI областной научно-технической конференции "Использование отходов производства в строительной индустрии", г. Ростов-на-Дону, 1984 г.;

- на научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета с 1981 по 2004 гг.;

- на республиканском научно-техническом совещании по фибробетону, г. Рига, 1988 г.;

- на всесоюзной научно-методической конференции "Проблемы подготовки и переподготовки специалистов в области создания изделий из композиционных материалов", г. Ворошиловград, 1990 г.;

на региональном научно-техническом семинаре по повышению коррозионной стойкости материалов, г. Уфа, 1990 г.;

на международном семинаре "Физико-химические и технологические особенности получения малоцементных строительных материалов и конструкций", г. Одесса, 1992 г.;

- на VII Международном конгрессе "Применение полимеров в бетоне", Москва, 1993 г.;

- на III международной конференции "Экология города", г. Ростов-на-Дону, 1994 г.;

- на НТК "Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды", г. Самара, 2000 г.;

- на МНПК "Бетон и железобетон в III тысячелетии", г. Ростов-на-Дону, 2000, 2002 и 2004 гг.;

- на 55-й МНТК "Актуальные проблемы современного строительства", СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2001 г.;

- международной конференции по фибробетону в г. Брауншвайг (ФРГ), 2002 г.;

- на научно-техническом семинаре "Технология пенобетона" кафедр "Строительные материалы" и "Инженерная химия" СПбГУПС, г. Санкт-

Петербург, 2003 г.;

- на МНПК Российской академии естествознания "Современные наукоёмкие технологии. Технологии - 2004", Турция, Анталия, 2004 г.;

- на межотраслевой НПК "Актуальные проблемы архитектурно-строительного комплекса", Воронеж, 2004 г.;

- на УШ академических чтениях РААСН "Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения", г. Самара, 2004 г.;

- на 1-й международной специализированной выставке "ЖКХ России - 2004", г. Санкт-Петербург, 2004 г.;

- на X специализированной выставке "Строим наш дом", г. Ростов-на-Дону. Диплом "Гран-При" участника конкурса "Новые прогрессивные строительные материалы и технологии в строительстве", 2004 г.;

- на научно-практической отчетной конференции-выставке "Научно-технические инновации в строительстве", г Москва, МГСУ - Спецстрой РФ, 7-10 декабря 2004 г.

Публикации. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 115 работах, в том числе 1 учебном пособии, 1 справочнике, 3 патентах на изобретения и 7 патентах и свидетельствах на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 265 наименований и 15 приложений. Диссертация изложена на 336 страницах, включает 82 рисунка и 52 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность за научные консультации члену-корреспонденту РААСН д.т.н., проф. Г.А.Айрапетову, д.х.н., проф. В.Т.Мальцеву, д.т.н., проф. Г.В.Несветаеву, д.т.н., проф. Е.И.Шмитько.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель, изложены задачи исследований, отражена научная новизна и перечислены важнейшие элементы практической значимости. Дана общая характеристика диссертационной работы.

В главах, посвященных структурообразованию, на основе современных достижений механики дисперсных систем, статистической физики, физики растворов, коллоидной и физической химии рассмотрены особенности процессов массопереноса, имеющие место при формировании структуры газонаполненных дисперсных зернистых систем применительно к пенобетонным смесям.

В пенобетонных смесях дисперсионной средой является водный раствор ПАВ, а дисперсная фаза состоит из пузырьков газа, твердых частиц вяжущего и заполнителя. Согласно классификации, принятой в коллоидной химии, в таких смесях сосуществуют два типа структур - микрогетерогенные и грубодисперсные. В ходе исследований установлено, что плотность дисперсных фаз различается не менее чем на два математических порядка. Отмечено, что геометрические параметры зерен цемента, обязательно изменяются в период преобладания вязких связей между частицами твердой фазы. Анализ структурных особенностей таких смесей показал, что они относятся к многофазным нестационарным.

Теоретические и практические возможности управления процессами структурообразования в многофазных нестационарных смесях на основе минеральных вяжущих, согласно кривой плотности цементно-водных дисперсий, предопределяются мерой разуплотнения твердой фазы. В пенобетонных смесях мера разуплотнения такова, что связность частиц твердой фазы в период раннего структурообразования может обеспечиваться только за счет оптимального соотношения между гравитационными и электростатическими силами.

Средняя толщина водных пленок на частицах твердой фазы в кинетически устойчивых бетонных смесях без ПАВ составляет примерно 0,1 мкм, а при наличии вовлеченной раствором ПАВ газовой фазы увеличивается до 0,5... 1,5 мкм. Причиной столь существенного изменения количества физически связанной воды является ориентирующее влияние электростатических и структурных сил ПАВ, проявляемых ими только на границах раздела "газ-жидкость".

Раствор ПАВ макроскопически однороден, а микроскопически гетерогенен. Молекулы ПАВ существенно больше молекул воды, имеют вид стержня, на одном конце которого расположена полярная группа, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь.

ПАВ располагаются в воде следующим образом: при низких концентрациях - слоями, в плоскости которых отдельные молекулы располагаются хаотично, при повышенных концентрациях - в виде мицелл. На границах раздела фаз "газ - жидкость" - гидрофильной частью в воде, а гидрофобной в воздухе, образуя, таким образом, пленки. В пленках ПАВ находится физически связанная вода, структура и свойства которой близки к свойствам льда и отличаются от свойств воды, расположенной в пространстве между частицами твердой фазы, составляющими бетонную смесь.

Пленки растворов ПАВ обладают упругими свойствами, и в этом отношении они похожи на твердые вещества. Для плёнок ПАВ, по мнению А.И.Русанова, характерно проявление анизотропии по вязкости, плотности и другим физическим свойствам, поэтому в физике их принято называть лиотропными жидкими кристаллами.

Из физики жидких кристаллов, согласно работам В. Де Же, Г.Г. Брауна, Л.Д Ландау, А.А. Веденова, В.Н. Цветкова и др., следует, что лиотропные жидкие кристаллы пленок ПАВ обладают свободой вращения лишь в одной плоскости. Структура воды в них имеет кластерную природу. Вязкость воды увеличена и поэтому пленки ПАВ обладают свойствами твердых тел до тех пор, пока в дисперсной системе наблюдается термодинамическое равновесие.

Согласно теории Майера - Заупе, молекулы ПАВ в жидком кристалле создают анизотропный нематический потенциал (направленный параллельно стержням молекул), поэтому они ориентируются так, чтобы их энергия (Ej) была минимальна:

Е^— U(3/2cos2ö - l/2)s, (1)

где U - константа взаимодействия, зависящая от плотности молекул ПАВ, их геометрических размеров и сил, действующих между ними;

Ö - • угол между осью молекулы и направлением директора;

- параметр ориентационного порядка в жидком кристалле, который может изменяться от 0 до 1.

Если T/U = больше 0,22 (отношение характеризует концентрацию ПАВ, а Т дано в энергетических единицах), значение s = 0,43, то при таком уровне взаимодействия утрачивается организованный молекулами ПАВ порядок их пространственной ориентации и жидкий кристалл переходит в изотропную жидкость. Константа взаимодействия U увеличивается с ростом длины молекулы ПАВ, поэтому критическая концентрация, соответствующая образованию жидкокристаллической фазы в высокомолекулярных ПАВ, уменьшается.

Из теории физики растворов следует, что свойство, присущее только жидким кристаллам и отличающее их от обычных изотропных жидкостей, - это статическая упругость кручения. При наличии напряжения кручения в жидком кристалле возникает не течение, как в обычной жидкости, а конечная деформация. Поэтому можно считать, что способность жидких кристаллов, из которых состоят пленки ПАВ, проявлять ограниченную деформативность, предопределяет:

- возможность накопления и сохранения в пенобетонных смесях дисперсной газовой фазы;

- повышение агрегативной устойчивости пенобетонных смесей при их насыщении газовой фазой.

В ходе диссертационных исследований установлено, что перемешивание представляет собой последовательную смену величины и направления внешнего энергетического воздействия на компоненты бетонной смеси. В результате механического воздействия на дисперсную систему растягивается дисперсионная среда, которая представляет собой водный раствор ПАВ. При растяжении водных растворов, как считают Дж. В. Гиббс, Б.В. Дерягин, Н.В.Перцов, Е.Д. Щукин, А.И. Русанов, Д.А. Фридрихсберг и др., ПАВ всегда стремятся переместиться из объема на поверхность раздела "газ - жидкость". Причиной тому при растяжении дисперсионной среды является сдвиг элементарных объёмов пенобетонной смеси относительно друг друга. Сдвиг происходит по плоскостям расположения лиотропных жидких кристаллов ПАВ. Как только жидкие кристаллы ПАВ оказываются в энергетически неоднородной области на границах раздела "газ - жидкость", их гидрофильная часть за счет проявления сил поверхностного натяжения воды погружается в жидкую фазу, а гидрофобная оказывается способной адсорбировать газовую. Таким образом, осуществляется воздухововлечение. В результате увеличиваются - суммарная поверхность раздела фаз и агрегативная устойчивость смесей.

Процесс развивается до установления термодинамического равновесия между гравитационными, электростатическими и капиллярными силами в данной дисперсной системе. Термодинамическое равновесие, обретаемое в ходе перемешивания, подвергается энергетической атаке со стороны этих же сил сразу после прекращения внешнего механического воздействия.

Энергетической причиной атаки являются:

- адсорбционная и химическая диспергация минералов вяжущего;

- гравитационные силы.

На начальном этапе структурообразования диспергация частиц вяжущего управляет перераспределением воды внутри дисперсной системы. В ходе этого процесса часть влаги перемещается из объемной в поверхностную. Поверхностная влага прочно связана с частицами твердой фазы и не содержит

ПАВ. Поэтому концентрация их в объемной части жидкой фазы неизбежно возрастает, что по А.И.Русанову может привести к скачкообразному понижению вязкости жидкой фазы и упругости пенных пленок (рис. 1).

-►

ккм

^ концентрации ПАВ

Рис. 1 Влияние критической концентрации мицеллообразования (ККМ) на упругость пенных пленок

Достижение в жидкой фазе критической концентрации мицеллообразования (ККМ) ПАВ обеспечивает разрыв пенных пленок (коалесценцию). В том случае, когда между частицами твердой фазы сформированы упругие связи и их прочность достаточно развита для сохранения структуры, коалесценция не имеет негативных последствий. Если же между компонентами твердой фазы сформированы только вязкие связи, то развитие коалесценции закономерно приводит к разрыву межпоровых перегородок, расслоению и осадке пенобетонной смеси.

Поэтому наибольший практический интерес представляет изучение кинетики набора прочности пенобетона в зависимости от вида и расхода пенообразователя. Оценку особенностей перехода пенобетонных смесей на цементном вяжущем из вязкого состояния в упруго-пластическое осуществляли по показателю пластической прочности в течение первых трех часов твердения

с интервалом измерений 15 минут. Установлено, что кинетика и параметры пластической прочности регулируются расходом пенообразователя (рис. 2).

Рис. 2 Кинетика пластической прочности пенобетонных смесей в зависимости от расхода пенообразователя

Из полученных данных следует, что при оптимальном количестве пенообразователя смеси характеризуются максимальной кинетикой пластической прочности. Причиной замедления роста пластической прочности при недостатке пенообразователя является избыток межчастичной воды, обеспечивающий раздвижку частиц твердой фазы, понижение агрегативной устойчивости смеси и плотности затвердевшего бетона. Причиной замедления роста пластической прочности смесей, содержащих избыток пенообразователя, является разрыхление структуры мицеллами, которые располагаются в межчастичной воде при повышенной концентрации ПАВ.

Установлено, что пенобетонные смеси чрезвычайно чувствительны к содержанию (трехкальциевого алюмината) и (трехкальциевого

силиката). интенсивно диспергируют в первый час гидратации, а

активно отбирает воду для образования (кристаллов портландита)

Поэтому суммарное содержание в вяжущем и способно влиять на скорость изменения объема межчастичной воды в смеси и таким образом регулировать агрегативную устойчивость пенобетонных смесей

Интервал оптимальных количеств ПАВ, при которых пенобетонные смеси характеризуются агрегативной устойчивостью, следует определять с точностью до 0,01 0,001 %, поскольку технология пенобетонов чрезвычайно чувствительна к вещественному составу вяжущего, погрешностям при дозировании компонентов и механическим нагрузкам в период раннего структурообразования В ходе исследований был признан целесообразным поиск таких путей управления агрегативной устойчивостью, опираясь на которые можно исключать негативное влияние колебаний упругости пенных пленок на структуру пенобетонных смесей Для этого необходимо создание особых энергетических условий между компонентами твердой фазы, которые смогут обеспечить ускоренное развитие упруго-пластичных связей между компонентами твердой фазы.

Анализ приемов, способствующих ускоренному формированию упругих связей, в рассматриваемых дисперсных системах показывает, что такие широко распространенные способы управления процессами структуро-образования, как повышение дисперсности компонентов твердой фазы, тепловлажностная обработка и химические добавки, практически достигли предельного уровня эффективности Повышение дисперсности компонентов твердой фазы не позволяет после отвердевания смеси избегать высоких значений усадочной деформативности Тепловлажностная обработка, ускоряя набор прочности, способствует за счет температурного линейного расширения накоплению микротрещин в структуре бетонов. Поэтому пропаренные и автоклавные ячеистые бетоны характеризуются ограниченной прочностью на растяжение и изгиб, малыми трещиностойкостью и морозостойкостью. Применение химических добавок в технологии пенобетонов весьма проблематично, поскольку устойчивость пленок ПАВ зависит от рН жидкой фазы Именно

поэтому в практике производства пенобетонов добавки-ускорители не получили широкого распространения

В работе установлено, что эффективным способом управления агрегативной устойчивостью смесей и эксплуатационными свойствами затвердевших материалов может быть дисперсное армирование бетонов волокнами Поэтому выполнен анализ номенклатуры и свойств волокнистых материалов, выпускаемых современной промышленностью и доступных для применения в строительстве (табл 1)

Ряд из них, такие как асбест и сталь, успешно применяются для улучшения работоспособности бетонных материалов более 100 лет Однако до настоящего времени нет научно обоснованных рекомендаций,

регламентирующих предпочтительность использования в бетонах того или другого вида волокна

Таблица 1

Физико-механические свойства армирующих волокон

Наименование волокна Плотность, г/см3 Водопогло-щение, % мас Модуль упругости, МПа Прочность при растяжении, МПа Удлинение при разрыве, % Диаметр, мкм

Древесное 1,5 до 100 71000 900 13 15 50 2000

Углеродное 1,9 0 230000 2600 1,0 5 10

Стеклянное 2,6 0 80000 4000 2,0 3,5 8 20

Стальное 7,8 0 200000 2000 0,5 3,5 5 500

Полипропиленовое 0,9 0 7500 750 6 9 20 200

Полиамидное 1,14 2 10000 1200 4,0 15,0 10 25

Арамидное 1,45 0 135000 4000 2,0 4,0 5 10

Хризотил-асбест 2,6 - 164000 3100 2,0 3,0 0,2 0,4

Исходя из требований к свойствам волокон для бетонов, анализа объемов их производства, вещественного состава, физико-механических, коррозионных и поверхностных свойств наиболее распространенных из них, установлено, что самыми эффективными для дисперсного армирования пенобетонов являются

полиамидные. Полиамидные волокна характеризуют следующие свойства:

- щелоче- и абразивная устойчивость;

- незначительное водопоглощение;

- стабильность геометрических размеров при переходе из сухого состояния в водонасыщенное;

- наилучшие, среди синтетических материалов, адсорбционные свойства по отношению к дисперсным частицам твердой фазы;

- гибкость;

- не дефицитность и промышленно доступные объёмы производства.

Сравнительный анализ геометрических моделей пено- и

фибропенобетонной смесей (рис. 3) позволил научно обосновать закономерность повышения интенсивности межчастичного взаимодействия при формировании фрактальных кластеров в рассматриваемых дисперсных системах. Межчастичное взаимодействие должно возрастать при введении в дисперсную систему протяженных поверхностей раздела фаз в соответствии с уравнением Гамакера:

Р = -(Аг)/(шН"), (2)

где F - сила притяжения между частицами; - размер частиц;

Н - расстояние между частицами;

А - константа, характеризующая суммарное действие ориентационного и дисперсионного факторов;

- коэффициенты (при взаимодействии шарообразных частиц шарообразной и протяженной

Образование фрактальных кластеров характерно для структур бетонных смесей и суспензий с позиций статистической физики. В таких структурах область межфазных границ рассматривают как самостоятельную форму существования материала со своими особыми физико-механическими характеристиками. Поэтому особенно важен учет структуры и свойств волокон,

которые выполняют функции протяженных поверхностей раздела фаз в пенобетонных смесях.

F - нагрузка;

1 - пора в ячеистой структуре; 3 - частица заполнителя; 5 -дисперсная арматура;

2 - частица цемента; 4 - вода; 6 - пленка ПАВ

Рис. 3 Геометрические модели:

а - пенобетонной смеси; б - фибропенобетонной смеси.

Длина фибры в 1000 и более раз больше ее диаметра. Молекулы мономера ориентированы вдоль волокна. Энергетический потенциал поверхности полиамидной фибры, оказывая влияние на агрегацию зернистых частиц твердой фазы, способствует формированию трубчатой структуры зернистого кластера в пенобетонной смеси.

В результате такого структурообразования агрегаты частиц зернистой твердой фазы в межпоровых перегородках дисперсно армированных пеносмесей по длине соизмеримы с длиной армирующих волокон. То есть не

менее чем на два порядка превышают линейные размеры цепочных агрегатов, формирующихся при структурообразовании пеносмесей, не содержащих дисперсной арматуры. В.Т. Перцевым установлено, что в ходе кластерообразования в структурах бетонных смесей происходит повышение плотности агрегатов за счет вытеснения из них части жидкой фазы.

На основании изложенного и в соответствии с термодинамическим принципом Гиббса - Гемгольца можно ожидать, что при дисперсном армировании пенобетонных смесей полиамидными волокнами в период раннего структурообразования будет наблюдаться более существенное, чем в традиционных пенобетонных смесях, снижение избыточной межфазной энергии, выражающееся в повышении агрегативной устойчивости смесей.

Экспериментальная проверка показала, что полиамидная дисперсная арматура является мощным структурообразующим компонентом, регулирующим газоудерживающие свойства межпоровых перегородок в период раннего структурообразования (рис. 4).

0 1 2 3 4 5 Количество фибры, % по объёму

Рис. 4 Газоудерживающие свойства пенобетонных смесей в зависимости от количества дисперсной арматуры.

Установлено, что пеносмеси без дисперсной арматуры теряли газовую фазу в течение 5 часов. Фибропеносмеси переходили к упругой связности

между элементами структуры менее чем за 105 минут Следовательно, впервые получено экспериментальное подтверждение влияния формы дисперсных частиц на скорость формирования кластерных агрегатов в пенобетонных смесях Экспериментально установлено, что цепочные кластеры пенобетонных смесей деструктируют под воздействием энергии ударных волн коалесценции пенообразователя в 3 раза дольше чем трубчатые кластеры дисперсно армированных

Исследованиями закономерностей формирования вязких связей в грубодисперсных зернистых системах занимались Фадеева В С Сочома тов В И, Бобрышев А Н, Бабков В В и др Ими установлено что в рассматриваемых дисперсных системах энергия дсформации накапчивается в виде поверхностной и ее релаксация выражается в перемещении жидкой и газообразной фаз к областям максимальных напряжений

При деформациях сжатия и сдвига перемещение частиц дисперсной фазы волокнистой или пластинчатой формы сопровождается их ориентацией в направлении максимальных напряжений сдвига В работе установлено, что совокупность указанных явлений в сочетании с зависимостью энергии связи от формы частиц дисперсной фазы обусловливает расположение фибры только внутри массива зернистых частиц, что достоверно подтверждается снимками сколов структуры при различных увеличениях (рис 5)

Рис 5 Фото сколов фибропенобетона плотностью 750 кг/м3

а - увеличение в 120 раз, б - увеличение в 240 раз

Если бетонная смесь характеризовалась агрегативной неустойчивостью в период перехода от вязких связей к упруго-пластическим, то возможно нарушение сцеп пения между дисперсной арматурой и бетонной матрицей (рис 6)

Рис 6 Структура фибропенобетона, полученного из агрегативно неустойчивой пенобетонной смеси

а - увеличение в 60 раз, б - увеличение в 200 раз

Экспериментальная оценка влияния дисперсного армирования на величину вязкого взаимодействия в пенобетонных смесях осуществлялась по показателям пластической прочности сразу после приготовления (рис 7)

Рис 7 Влияние дисперсного армирования и водосодержания на интенсивность межчастичных взаимодействий в смесях

Установлено, что полиамидные волокна как протяженные поверхности раздела фаз влияют на силы сцепления между твердыми частицами в период преобладания вязких связей. Мера этого влияния зависит от количества дисперсной арматуры и водосодержания.

Расчет параметров дисперсного армирования показал, что волокнистая агрегированная структура, способная оказывать положительное влияние на механические свойства пенобетонной смеси, формируется в ней тогда, когда объемное содержание фибры достигает некоторой минимальной величины, регламентируемой ее геометрическими параметрами: L - длиной и d -диаметром:

(3)

Из теории волокнистых композиционных материалов следует, что чем больше матрица содержит волокнистых компонентов, тем выше может быть прочность композита. Пределом интервала насыщения всегда является порог однородности величина которого регламентируется соотношением между вязкопластическими свойствами смеси и технологическими особенностями её приготовления.

(4)

где К - коэффициент, величина которого зависит от скорости движения (^ рабочего органа в смесительном агрегате.

При N = 500 об/мин К = 0,10; при N = 750 об/мин К = 0,11; при N = 1000 об/мин К = 0,13.

Экспериментальные исследования перехода дисперсно армированных пеносмесей из вязкого в упруго-пластическое состояние позволили установить, что на кинетику пластической прочности в начальный период структурообразования влияет длина армирующих волокон (табл. 2).

Сразу после приготовления смесей влияние длины волокон на показатели пластической прочности сравнительно невелико и составляет от 3,5 до 7 %. В этот период существования дисперсной системы ее прочность слагается только

из прочности вязких межчастичных взаимодействий.

После протекания большей части релаксационных процессов и формирования трубчатых кластеров, примерно через 1,5...2,0 часа после приготовления, пластическая прочность смесей с длинными волокнами составляет 180... 197 % от прочности смесей с короткими волокнами. Полученный результат свидетельствует о том, что длина волокон определяющим образом влияет на качество связей в период преобладания вязких контактов между частицами дисперсной фазы.

Таблица 2

Влияние длины армирующих волокон на кинетику пластической прочности

фибропенобетонных смесей

Время Пластическая прочность Прирост пластической

твердения, смеси (Па) при длине прочности в % по отношению к

мин армирующего волокна, мм смеси с волокном длиной 10 мм

10 30 60 30 60

0 57 59 61 4 7

15 70 87 90 24 29

30 66 96 99 45 50

45 77 101 103 31 34

60 86 99 101 15 17

75 99 168 174 70 76

90 84 141 156 68 86

105 92 173 181 88 97

120 121 198 212 64 75

135 176 244 251 39 43

150 190 257 276 35 45

165 214 249 323 16 51

180 395 475 448 20 13

По мере развития в цементе гидратационных процессов вязкие контакты между частицами твердой фазы заменяются упруго-вязкими и кристаллизационными. Влияние длины волокон на механические свойства рассматриваемых дисперсных систем становится менее значимым. По истечении трех часов твердения эффективность применения длинных волокон снижается до 13.. .20 %.

Полученные результаты являются основой для рецептурно-технологического регулирования свойств смесей в зависимости от высоты формования массива. При увеличении длины армирующих волокон, с одной стороны, может быть увеличена допустимая высота формования не расслаивающегося массива, что особенно важно при осуществлении монолитных работ или заводском изготовлении крупноразмерных элементов. С другой стороны, равномерное распределение волокон в объеме пенобетонных смесей становится гораздо более сложным. В том случае, когда фибропенобетонная смесь предназначена для изготовления мелкоштучных или армированных металлическими каркасами изделий, применяют короткие волокна длиной 10...30 мм, которые способны обеспечить достаточную агрегативную устойчивость в период раннего структурообразования.

В главах, отражающих эффективность дисперсного армирования пенобетонов неавтоклавного твердения, приведены результаты исследований влияния полиамидной фибры на физические и механические свойства пенобетонов, представлены результаты апробации и внедрения в строительство.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено закономерное понижение проницаемости межпоровых перегородок при дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами. Методом термограмм сушки установлено, что по сравнению с равноплотным пенобетоном в фибропенобетоне:

- удельная поверхность межпоровых перегородок, регламентирующая содержание гигроскопической и адсорбционной влаги, уменьшается на 10... 15%;

- количество микрокапиллярной влаги, характеризующей меру микротрещинообразования материала, понижается на 20...23 %;

- количество адсорбционной влаги, характеризующей степень шероховатости (фрактальности) поверхности, меньше примерно в 2 раза.

Установлено эффективное улучшение качества пористости (табл. 3).

Таблица 3

Параметры поровой структуры равноплотных пено- и фибропенобетонов

Содержание дисперсной арматуры, % от объёма компонентов твердой фазы 0 1 2 3 4 5 6

Количество пор, %

открытых 8-15 6-12 4-7 3-6 2-4 2-4 2-6

капиллярных 61-73 55-70 52-65 55-61 48-58 50-63 47-66

резервных 12-31 18-39 28-42 34-41 38-50 33-48 28-51

Соотношение между объёмом резервных пор и пор, заполняющихся при водопоглощении 0,33 0,43 0,50 0,59 0,78 0,69 0,65

5 мин. часа 5 суток

Рис. 8 Влияние дисперсного армирования на способность пенобетона к капиллярному поглощению влаги

Пониженная дефектность структуры межпоровых перегородок предопределила улучшение гидрофизических свойств фибропенобетонов. Достигнутые результаты подтверждают адекватность принятой в работе модели и научную достоверность теоретических рассуждений. Установлено, что по сравнению с равноплотным пенобетоном фибропенобетон отличают

пониженные на 14...50 % показатели водопоглощения, капиллярного подсоса, равновесной и сорбционной влажности, паропроницаемости (рис 8, 9, 10)

Рис. 9 Влияние дисперсного армирования на способность пенобетонов к сорбционному поглощению влаги

Рис. 10 Влияние дисперсного армирования на паропроницаемость пенобетонов

-зо-

Установлено уменьшение теплопроводности фибропенобетонов по сравнению с равноплотными пенобетонами (рис. 11), особенно существенное в пенобетонах конструкционно-теплоизоляционного назначения, средняя плотность которых превышает 700 кг/м3.

1

А

ДПБпоСНиП о ПБ по Г П. Сахарову 0 ПБ по Л.Д. Шаховой о ПБ по В А Мартыненко

* ФПБ по Л.В. Моргун

• ФПБ по А.Н. Юндину

1000

Рис. 11 Теплопроводность пенобетона (ПБ) и фибропенобетона (ФПБ)

Дано теоретическое обоснование повышению прочности пенобетонов при дисперсном армировании их полиамидными волокнами за счет понижения количества дефектов структуры в бетонной магрице и увеличения объема, в котором происходит диссипация энергии от внешней нагрузки. Установлено повышение модуля упругости на 15... 19 %, предельной растяжимости на 40...60 % (рис. 12). Эффективность дисперсного армирования при испытаниях балок размером 310-100-50 мм на растяжение при изгибе, определенная по энергоемкости работы разрушения, достигает (табл. 4):

на момент появления первой трещины в растянутой зоне 5 . .15%; на момент начала развития магистральной трещины - 10... 14 раз; на момент разрушения - 70.. .80 раз.

Таблица 4

Влияние дисперсного армирования на деформативные свойства пенобетона

Показатели свойств Вид бетона Коэффициент вариации, %

ПБ ФПБ ПБ ФПБ

Количество фибры, % от объема твердой фазы 0 2

Средняя плотность, кг/м 750 754 0,78 0,56

Начальный модуль упругости, МПа 1760 2000 12,30 5,81

Прочность на растяжение при изгибе, МПа, при появлении: 1-й трещины магистральной разрушающей 1,19 1,59 2,98 4,59 20,5 9,2 14,8 12,0

Прогибы, в мм, при появлении: 1-й трещины магистральной разрушающей 0,37 0,30 1,66 7,60 25,8 19,0 28,8 13,4

Примечание: ПБ - пенобетон, ФПБ - фибропенобетон,

о 112 0,4 0,6

Деформации при растяжении, мм/м

Рис. 12 Кривые деформирования на растяжение при изгибе пено- и фибропенобетона средней плотностью 750 кг/м3

Рис. 13 Значения кубиковой и призменной прочности на сжатие пено- и фибропенобе гонов

Экспериментально установлено, что показатели призменной прочности на сжатие в фибропенобетоне превышают показатели кубиковой прочности на 30...38%, в то время как в бетонах без дисперсной арматуры наблюдается обратная зависимость.

Рис. 14 Влияние дисперсного армирования на трещиностойкость пенобетонов

Полученные результаты свидетельствуют об изменении характера напряженно-деформируемого состояния материала за счет дисперсного армирования. Повышение призменной прочности позволяет прогнозировать возможность понижения материалоемкости строительных конструкций, изготовляемых из фибропенобетона.

Рис. 15 Кинетика усадочных деформаций в пено- и фибропенобетоне средней плотностью 400 кг/м3

Увеличение в 2,0...2,5 раза прочности на растяжение при раскалывании свидетельствует о повышении трещиностойкости фибропенобетона неавтоклавного твердения (рис. 14). Важнейшей причиной повышения трещиностойкости следует считать улучшение структуры межпоровых перегородок и снижение усадочных деформаций (рис. 15), достигающее 2...3 раз по сравнению с деформациями равноплотных пенобетонов.

На основе обобщения результатов выполненных исследований разработана новая методика проектирования и подбора состава пено- и фибропенобетонных смесей. Суть методики состоит в том, что суммарная масса компонентов твердой фазы для 1 м3 фибропенобетона численно должна быть равна 0,85 его проектной плотности. Водосодержание определяется по

таблице или номограмме, связывающей вязкость смеси по диаметру расплыва шликера на приборе Суттарда и проектную плотность бетона.

Поскольку адсорбционные свойства ПАВ предопределяются вещественным составом дисперсной системы, то назначение расхода пенообразователя осуществляют по результатам оценки кинетики пластической прочности в течение первого часа твердения 3...5 экспериментальных замесов. За рациональный принимают такой расход пенообразователя, при котором смесь характеризуется максимальными показателями кинетики пластической прочности.

В работе представлена технологическая схема изготовления изделий из фибропенобетона и технико-экономическая эффективность его применения в строительстве. Показано, что снижение усадочной деформативности и повышение прочности на растяжение обеспечивают возможность изготовления строительных изделий, отличающихся машиностроительной точностью геометрических размеров.

Высокая точность геометрических размеров изделий из фибропенобетона позволяет при производстве и выполнении строительно-монтажных работ достигать следующих преимуществ:

- в заводских условиях изготавливать изделия, форма которых обеспечивает возможность самофиксации при укладке в конструкцию;

за счет самофиксации в 2,0...2,5 раза повышать производительность труда на кладочных работах;

- отказаться от оштукатуривания стеновых поверхностей, ограничившись шпатлеванием;

- достигать высокого качества кладочных работ при низкой квалификации рабочих;

- осуществлять кладку на строительных клеях из сухих смесей при температуре окружающей среды от +40 до -16 °С, т.е. фактически исключить влияние сезонности на выполнение этих работ.

Общие выводы

1. Разработаны теоретические основы структурообразования и технологические способы получения фибропенобетонов с заданными свойствами, что позволяет снизить энергоемкость производства и расширить сырьевую базу при получении пенобетонов неавтоклавного твердения со свойствами, превышающими показатели равноплотных аналогов.

2. Анализ структурных особенностей пенобетонных смесей впервые позволил:

- классифицировать их как суспензии композиционного типа, в которых плотность дисперсных фаз различается более чем на два математических порядка, а фазы твердая и газовая способны менять параметры дисперсности в период, когда агрегативная устойчивость компонентов обеспечивается только вязкими связями;

- выявить новые аспекты закономерностей массопереноса, имеющие место при перемешивании пенобетонных смесей. Установить, что под действием рабочего органа смесительного агрегата осуществляется сложное деформирование дисперсионной среды, в результате которого ПАВ, перемещающиеся из объёма жидкой фазы на границу раздела "газ-жидкость", формируют пленки со свойствами жидких кристаллов.

3. Научно обосновано и экспериментально подтверждено влияние минералогического состава цемента на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей. Установлено, что кинетика пластической прочности регулируется скоростью уменьшения объёма водной составляющей дисперсионной среды. Выявлен экстремальный характер зависимости агрегативной устойчивости от расхода пенообразователя, который послужил основой для создания новой методики проектирования и подбора состава пено- и фибропенобетонных смесей.

4. Научно обоснована технико-экономическая целесообразность применения полиамидных волокон в технологии пенобетонов. Она слагается из комплекса физико-химических и механических свойств, обеспечивающих

эффективность применения в сочетании с достаточным объемом их промышленного производства.

5. Разработаны геометрические модели пено- и фибропенобетонной смесей, на основе которых теоретически выявлены особенности влияния пенных пленок и полиамидной дисперсной арматуры как протяженной поверхности раздела фаз на кинетику структурообразования. Установлено, что ускорение агрегации зернистых частиц зависит от параметров дисперсного армирования и управляет продолжительностью временного промежутка, в течение которого газовая фаза может покидать дисперсную систему в результате коалесценции. Дисперсное армирование позволяет сокращать время агрегативной метастабильности с 240 до 15 минут.

6. Экспериментально установлено 10... 12 %-е повышение прочности вязких связей между компонентами твердой фазы на каждый процент дисперсного армирования по объему твердой фазы. Введены понятия первичной и оптимальной волокнистых структур в составе пенобетонных смесей и предложены уравнения для их расчета. Установлена зависимость кинетики пластической прочности пенобетонных смесей от длины армирующих волокон, позволяющая назначать длину фибры с учетом требуемой высоты формования бетонного массива.

7. Подтверждена достоверность математической модели тонких водных пленок на поверхности твердых частиц, учитывающая неравномерность распределения плотности энергий на границах раздела фаз. Из модели следует, что соотношение между геометрическими параметрами фибры и размерами частиц цемента влияет на кинетику адсорбционных процессов дисперсных зернистых частиц обводненной твердой фазы в присутствии полиамидного волокна, а результирующее давление, развиваемое тонкой водной пленкой, всегда будет направлено к поверхности фибры.

8. Научно обоснована и экспериментально подтверждена важнейшая структурообразующая роль фибры, заключающаяся в том, что при трении зернистых частиц дисперсии о протяженную поверхность раздела фаз, к

ней, как области максимальных напряжений в дисперсной системе, перемещаются самые мелкие из них. Под действием напряжений, развивающихся в дисперсной системе при перемешивании ее компонентов, зернистые частицы ориентируются таким образом, что вокруг поверхности трения из них формируется слой повышенной плотности, что обеспечивает улучшение параметров дифференциальной и интегральной пористости пенобетонов. Эффективность управления структурой пор зависит от равномерности распределения фибры в объеме бетонной матрицы и составляет 10... 15 % уменьшения водопоглощения по объему на каждый процент армирования.

9. Сформулирована гипотеза о влиянии трещиноватости (дефектности) стенок капиллярных пор на способность материалов сорбировать и транспортировать парообразную влагу. Установлено, что снижение паропроницаемости за счет дисперсного армирования составляет 25...47 % по отношению к равноплотному пенобетону. Показано, что введением добавок - электролитов можно регулировать не только скорость набора прочности дисперсно армированных бетонов, но и управлять параметрами паропроницаемости, что позволяет смягчать или исключать проблемы конденсации влаги при сочетании фибропенобетона с другими материалами в конструктивных элементах зданий.

10. Научно обосновано влияние рецептуры материала и параметров капиллярно пористой структуры пенобетонов на их теплопроводность в состоянии сорбционной влажности и сухом. Сформулирована гипотеза о влиянии геометрических размеров капиллярных пор на способность влажных материалов проводить тепло. Аналитическая и экспериментальная оценки теплопроводности подтвердили достоверность гипотезы и позволили установить, что при дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами их теплопроводность в сухом состоянии понижается на 23...39 %, а в состоянии сорбционного равновесия со средой, относительная влажность которой 95 %, снижение достигает 36.. .68 %.

11.Выявлены новые закономерности поведения пенобетонов под действием изгибающей нагрузки. Впервые экспериментально определены количественные параметры влияния дисперсного армирования на предельную растяжимость бетонной матрицы и модуль упругости фибропенобетонов. Установлено, что начальный модуль упругости фибропенобетона на 15... 19 % превышает этот показатель в равноплотном пенобетоне, а предельная растяжимость бетонной матрицы возрастает на 40...60 %, материал утрачивает хрупкий характер разрушения, и его работа под действием изгибающей нагрузки становится аналогичной железобетону, т.е. приобретает три характерные стадии напряженно-деформированного состояния. Определена мера эффективности дисперсного армирования по показателю энергоемкости разрушения, которая в зависимости от стадии напряженно-деформируемого состояния достигает следующих величин:

- на момент появления первой трещины в растянутой зоне 1,05... 1,15;

- на момент развития магистральной трещины - 10... 14 раз;

- на момент разрушения - 70.. .80 раз.

13. Впервые установлено, что в связи с изменением характера напряженно-деформируемого состояния показатели призменной прочности на сжатие в фибропенобетоне не уступают, а наоборот, превышают показатели кубиковой прочности на 30...38 %. Повышение прочности на растяжение при раскалывании достигает 1,5...2,5 раз.

14. Впервые установлено, что при дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами развитие усадочных деформаций в условиях нормального твердения завершается к 180 суткам твердения, в то время как в неармированных бетонах к этому времени оно достигает только 70 %. Абсолютные значения усадочных деформаций в соответствующие сроки твердения различаются в равноплотных фибро- и пенобетонах в 2,0...3,0 раза.

15. На основе изученных закономерностей и выявленного механизма структурообразования разработана новая методика проектирования состава

фибропенобетона.

16. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке технических условий и технологических регламентов на производство изделий из фибропенобетона, а также при освоении производства на вновь созданной технологической линии по изготовлению изделий из фибропенобетона неавтоклавного твердения.

Основные положения диссертации изложены в монографии,

опубликованных статьях и научных докладах, включая 10 патентов, в том

числе:

1. Моргун Л.В. Физико-химические основы механики композиционных материалов: Учеб. пособие. - Ростов н/Д: РГАС, 1994. - 75 с.

2. Лобанов И.А., Моргун Л.В., Пухаренко Ю.В. Особенности структуры и свойства безавтоклавных ячеистых бетонов, армированных синтетическими волокнами // Бетон и железобетон. - 1983. - № 9. - С. 12-14. - Лично автором выполнено 3 с.

3. Лобанов И.А., Моргун, Л.В., Острат Л.И. О деформативных свойствах фибропенобетона//Бетон и железобетон. - 1984. № 6. - С. 19. - Лично автором выполнена 1 с.

4. Моргун Л.В. О влиянии дисперсного армирования на влажность после термообработки ячеистого бетона//Работоспособность композиционных строительных материалов в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов. - Казань: КХТИ, 1985. - С.69-72.

5. Моргун Л.В. Повышение качества бетонов введением органоминеральных добавок//Строительные и специальные материалы на основе органоминеральных композиций. - Новочеркасск: НПИ, 1987. - С.121-127.

6. Моргун Л.В. Повышение коррозиионной стойкости ячеистых бетонов // Ресурсосберегающие технологии и материалы в строительстве. - Ростов н/Д: РИСИ, 1990. - С.57-59.

7. Моргун Л.В. Перспективы использования отходов мела в ячеистых

фибробетонах// Перспективные разработки, проектирование и комплексное строительство сельскохозяйственных объектов на Северном Кавказе. -Ростов н/Д: СевКавНИПИагропром, 1990. - С.58-65.

8. Моргун Л. В. О структуре фибропенобетона//Физико-химические и технологические особенности малоцементных строительных материалов и конструкций: Тез.докл. - Одесса, 1992. - С.25-27.

9. Моргун Л.В. Атмосферостойкость фибропенобетона // Планировка и застройка городов. - Пенза, 1993. - С.21-22.

10. Моргун Л.В. Особенности технологии производства фибропенобетонов // Эффективные технологии и материалы для стеновых и ограждающих конструкций. - Ростов н/Д: РГАС, 1994. - С.45-48.

И. Моргун Л.В.. Носова СВ., Хорошева Е.В. Безавтоклавные ячеистые бетоны на немолотых заполнителях//Планировка и застройка городов. -Пенза, 1996. - С.49-52. - Лично автором выполнено 3 с.

12. Моргун Л.В. Теоретические основы получения ячеистых бетонов из грубодисперсного сырья// Материалы МНПК РГАС. - Ростов н/Д, 1997. -С.27.

13. Моргун Л.В., Айрапетов Г.А., Лавринов А.В. Безосадочный пенобетон для монолитного строительства//Материалы МНПК РГСУ. - Ростов н/Д, 1998. - С. 13.- Лично автором выполнено 0,5 с.

14. Моргун Л.В. Стереология фибропенобетона//Известия РГСУ. - Ростов н/Д, 1999.-№4.-С.97-101.

15. Моргун, Л.В., Айрапетов Г.А., Лавринов А.В. Оценка влияния дисперсности заполнителей на свойства фибропенобетона//Строительные материалы, изделия и конструкции на рубеже веков. Ростов н/Д: РГСУ, 1999. - С.9-11.- Лично автором выполнено 3 с.

16. Моргун Л.В. Особенности структуры порового пространства пенобетонов дисперсно армированных полиамидными волокнами//Бетон и железобетон в Ш тысячелетии: Материалы конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2000.- С.258 -259.

17. Моргун Л.В., Айрапетов ГА, Гридчина А.А. К вопросу о структурообразовании дисперсно армированных пенобетонов// Строительство-2000:Материалы конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2000. - С.66 -67. - Лично автором выполнено 1,5 с.

18. Моргун Л.В., Чумакин Е.Р., Моргун В.Н., Кузнецов СВ., Онишков Н.П., Тищенко А.А. Мобильная установка для получения фибропенобетонных смесей//Строительство-2001:Материалы конф. -Ростов н/Д: РГСУ, 2001. -С.24 - 27. - Лично автором выполнено 2 с.

19. Моргун Л.В., Моргун В.Н., Кузнецов СВ. Эффективные стеновые материалы из некондиционного сырья//Актуальные проблемы современного строительства: Материалы 55-й МНТК. - СПб ГАСУ, 2001. -С.92 - 95. - Лично автором выполнено 2 с.

20. Моргун Л.В., Чумакин Е.Р., Моргун В.Н. Технологический комплекс для производства ФИПЕБ//Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы V11 академических чтений РААСН. -Белгород, 2001. 4.2. - С402 - 405. - Лично автором выполнено 5 с.

21. Моргун, Л.В., Богатина А.Ю. Фипеб в стеновых конструкциях// Железобетон, строительные материалы и технологии в Ш тысячелетии: Материалы конф. - РГСУ, Ростов н/Д: 2001.- С.20 - 26. - Лично автором выполнено 4 с.

22. Моргун Л.В. Эффективность применения фибропенобетона в современном строительстве/Строительные материалы. - 2002. - № 3. -С.16-17.

23. Morgun L.V., Airapetov G.A., Soljanik A.U., Tschumakin E.R., Morgun V.N. Die Erfahrung der Einfuhrung des Faserschaumbetons in den sudlichen Regionen Russlands Stahlfaserbeton// Braunschweiger Bauseminar 2002, 14 - 15 november. - p.99 -106. - Лично автором выполнено 4 с.

24. Моргун Л.В., Моргун В.Н. Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей// Строительные материалы. - 2003. - № 1. - С.33 - 35. - Лично автором выполнено 4 с.

25 Моргун Л В, Богатина А Ю Применение фибропенобетонной теплоизоляции в мансардных этажах гражданских зданий//Строитетьные материалы - 2003 - № 6 Приложение № 1 Архитектура - С 14 - 15 -Лично автором выполнено 3 с

26 Моргун Л В О механизме формирования пониженной проницаемости в фибробетонах слитной и ячеистой структур// Вестник БелгТУСМ им В Г Шухова - 2003 - Вып 4 - С 98 -102

27 Моргун Л В, Ильиных В А, Моргун В Н Новый материал для строительства зданий// Вестник БГТУ им В Г Шухова - 2003 - №4 -С 111 -114 - Лично автором выполнено 4 с

28 Моргун Л В, Акопов В В Развитие усадочных деформаций в фибропенобетоне с добавками-электролитами// Строите чьство-2003 Материалы конф - Ростов н/Д РГСУ, ИСТМ, 2003 - С 91-92 - Лично автором выполнена 1 с

29 Моргун Л В, Осипов В М Исследование процессов газовыделения фибропенобетонных смесей//Строительство-2003 Материалы конф -Ростов н/Д РГСУ, ИСТМ, 2003 - С 93 - 94 - Лично автором выполнена 1 с

30 Моргун Л В , Тищенко А А Паропроницаемость фибропенобетона с химическими добавками// Строительство-2003 Материалы конф - Ростов н/Д РГСУ, ИСТМ, 2003 - С 125 -126 - Лично автором выполнена 1 с

31 Моргун Л В, Богатина А Ю Пенобетонные плиты перекрытий для реконструируемых гражданских зданий// Железобетон, строительные материалы и технологии в III тысячелетии Материалы конф - Ростов н/Д РГСУ, 2003 - С 49 - 51 - Лично автором выполнено 2 с

32 Моргун Л В, Крылова О И, Шевалдыкина П В Оценка влияния концентрации ПАВ на кинетику пластической прочности пено- и фибропенобетонов// Железобетон, строительные материалы и технологии в Ш тысячелетии Материалы конф - Ростов н/Д РГСУ, 2003 - С 52 - 56 -Лично автором выполнено 4 с

33. Моргун Л.В. К вопросу о технико-экономической эффективности освоения технологии и применения фибробетонов в строительстве //Строительные материалы и изделия. (Украина), 2003. - № 4(18). - С.22 -25.

34. Моргун Л.В., Айрапетов ГА, Несветаев Г.В., Моргун В.Н. Эффективные стеновые изделия для восстановления объектов, пострадавших от стихийных бедствий и локальных конфликтов// Промышленное и гражданское строительство. - 2003. - № 7. - С.54 - 56. - Лично автором выполнено 7 с.

35. Комохов П.Г., Моргун Л.В. Об актуальности бетонов дисперсно армированных волокнами// Наука, техника и технология нового века. -Нальчик,-2003. - С.261 - 264. - Лично автором выполнено 3 с.

36. Моргун Л.В., Богатина А.Ю. Фибропенобетон для теплоизоляции// Жилищное и гражданское строительство. - 2003. - № 10. - С.27 - 28. -Лично автором выполнено 3 с.

37. Моргун Л.В. Анализ закономерностей формирования оптимальных структур дисперсно армированных бетонов//Известия ВУЗов. Строительство. - 2003 - № 8. - С.58 - 62.

38. Моргун Л.В. Научно-практические основы производства фибропенобетонов// Известия РГСУ. - 2004. - № 8. - С.76 - 79.

39. Моргун Л.В. Анализ влияния свойств жидкой фазы на кинетическую устойчивость пеносмесей// Бетон и железобетон в III тысячелетии: Материалы конф. - Ростов н/Д: РГСУ. - 2004. Т.1. - С.381 - 387.

40. Моргун Л.В., Богатина А.Ю. Фибропенобетон в перекрытиях// Жилищное и гражданское строительство. - 2004. - № 6. - С.27 - 28. - Лично автором выполнено 3 с.

41. Моргун Л.В., Богатина А.Ю. Применение изделий из фибропенобетона в отделке фасадов// Бетон и железобетон в Ш тысячелетии: Материалы конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2004. - С.68 - 71.- Лично автором выполнено 4 с.

42. Моргун Л.В. Композиционные материалы// Строительные материалы:

Учеб. пособие// под ред. ГА. Айрапетова и Г.В. Несветаева. //Ростов н/Д: Феникс, 2004. - С.540 - 562. - Лично автором выполнено 23 с.

43. Моргун Л.В., Богатина А.Ю. Энергосберегающая технология строительства из пенобетона// Современные наукоёмкие технологии. - М.: РАЕ, 2004. - № 2. - С.86 - 88. - Лично автором выполнено 2 с.

44. Моргун Л.В. К вопросу об особенностях формирования кинетически устойчивых пенобетонных смесей// Материалы VIII академических чтений РААСН. - Самара: СамГАСУ, 2004. - С.ЗЗЗ - 336.

45. Моргун Л.В., Богатина А.Ю. Об эффективности энерго- и ресурсосбережения при использовании фибропенобетона в строительстве// Строительные материалы. - 2004. - № 11. - С. 16 - 17. - Лично автором выполнено 4 с.

46. Моргун Л.В. О некоторых свойствах фибропенобетона неавтоклавного твердения и изделий из него// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2005. - № 2 (73). - С.

Патенты на изобретения и полезные модели

1. Моргун Л.В. Патент на изобретение № 2133244 "Сырьевая смесь для изготовления ячеистых бетонов". Приоритет от 29.09.1997 г.

2. Моргун Л.В., Айрапетов ГА, Лавринов А.В. Патент на изобретение № 2132315 "Способ приготовления пенобетонной смеси". Приоритет от 15.12.1997 г.

3. Моргун Л.В., Моргун В.Н. Патент на изобретение № 2206544 "Сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов и способ её изготовления". Приоритет от 17.05.2001 г.

4. Моргун Л.В., Богатина А.Ю., Моргун В.Н. Свидетельство на полезную модель № 23449 "Стеновой блок". Приоритет от 19.11.2001 г.

5. Айрапетов Г.А., Несветаев Г.В., Моргун Л.В., Моргун В.Н., Соханев В.Г., Васильченко B.C.. Тищенко АА. Свидетельство на полезную модель № 28144 "Стеновой блок". Приоритет от 05.08.2002 г.

6 Моргун Л В , Богатина А Ю, Кутняков В И , Швецов П А Патент на полезную модель № 37123 "Теплоизоляционная бетонная плита дтя зданий мансардного типа" Приоритет от 13 10 2003 г

7 Моргун Л В , Коробкин А П, Богатина А Ю , Моргун В Н Патент на полезную модель № 32514 "Железобетонная перемычка" Приоритет от 08 01 2003 г

8 Моргун Л В , Богатина А Ю, Кутняков В И , Швецов П А Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2003130187/20 (032521) "Погонажные сборные изделия для теплоизоляции мест сопряжения стен и оконных или дверных блоков - галтели и вкладыш-галтели" Приоритет от 13 10 2003

9 Моргун Л В , Богатина А Ю , Кутняков В И , Швецов П А , Крылова О И , Шилова А А Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2004114738/20(016225) "Сборные легкобетонные вкладыши для теплоизоляции перекрытий каркасно-монолитных гражданских зданий" Приоритет от 18 05 2004 г

10 Моргун Л В , Богатина А Ю , Лазарев А Г , Кутняков В И , Швецов П А Патент на полезную модель № 42552 "Набор пенобетонных плитных изделий для утепления фасадов гражданских зданий" Приоритет от 27 11 2003 г

Подписано в печать 20 01 05

Формат 60x84/16 Бумага писчая Ризограф

Уч -изд л 2,0 Тираж 100 экз Заказ 6

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета 344022, Ростов - на - Дону, Социалистическая, 162

05,23

,1105

i б фе8 m ' 4

Введение

Глава 1. Анализ процессов массопереноса при формировании структуры пенобетонных смесей

1.1 Структурные особенности пенобетонных смесей с позиций ме- 19 ханики дисперсных систем

1.2 Влияние свойств частиц твёрдой фазы на седиментационную устойчивость пенобетонных смесей

1.3 Влияние свойств жидкой фазы на способность пенобетонных смесей сохранять вовлеченную при перемешивании газовую фазу

1.3.1 Анализ явлений, происходящих с компонентами пенобетонной смеси при перемешивании

1.3.2 Анализ влияния процесса диспергации клинкерных минералов на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей

1.4 Экспериментальные исследования перехода пенобетонных смесей на цементном вяжущем из вязкого состояния в упруго-пластическое

1.4.1 Влияние расхода и вида пенообразователя на скорость формирования упруго-пластичных связей в пенобетонной смеси

1.4.2 Влияние ПО-ЗНП на кинетику температуры пенобетонной смеси в ходе формирования упруго-пластичных связей между компонентами твердой фазы

1.4.3 Влияние минералогического состава вяжущего на особенности формирования упруго-пластичных связей в пенобетонных смесях

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 2. Структура и свойства синтетических волокон, как дисперсной арматуры для бетонов

2.1 Свойства синтетических волокон

2.2 Обоснование выбора полиамидных волокон в качестве дисперсной арматуры для пенобетонов

2.3 Общие сведения об адсорбции зернистых дисперсных частиц на поверхности полиамидных волокон

2.4 Физико-химические стадии процесса адсорбции зернистых частиц твердой фазы на поверхности полиамидных волокон

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 3. Исследование структурообразования фибропенобетонных смесей

3.1 Теоретический анализ влияния протяженных поверхностей раздела фаз на агрегативную устойчивость пеносмесей

3.1.1 Влияние воздухововлечения на способность цементно-водных суспензий физически связывать воду

3.1.2 Теоретический анализ геометрических моделей пено- и фиб-ропенобетонной смесей

3.2 Экспериментальная оценка влияния протяженных поверхностей раздела фаз на способность пенобетонных смесей удерживать вовлеченную при перемешивании газовую фазу.

3.3 Особенности влияния протяженных поверхностей раздела фаз на формирование вязких связей в дисперсно-зернистых системах

3.4 Расчет параметров волокнистой структуры в фибропеносмесях

3.5 Теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических параметров дисперсной арматуры на особенности перехода пеносмесей из вязкого состояния в упруго-пластическое

-43.5.1 Влияние длины армирующих волокон на тепловыделение и кинетику пластической прочности твердеющих пеносмесей

3.5.2 Научное обоснование расширения диапазона агрегативной устойчивости пеносмесей при дисперсном армировании их волокнами

3.5.3 Экспериментальные исследования влияния расхода пенообразователей на кинетику пластической прочности и агрегативную устойчивость фибропенобетонных смесей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 4. Физические свойства пенобетонов дисперсно армированных полиамидными волокнами

4.1 Результаты исследований структуры цементного камня в зоне его контакта с волокнами

4.1.1 Влияние вещественной природы волокон на их способность распределяться в бетонной матрице

4.1.2 Особенности структуры цементного камня в зоне контакта с фиброй

4.2 Результаты йсследований гидрофизических свойств фибропено-бетонов

4.2.1 Влияние дисперсного армирования на параметры общей пористости пенобетонов

4.2.2 Исследование параметров дифференциальной и интегральной пористости пенобетонов в зависимости от насыщения смесей дисперсной арматурой

4.3 Экспериментальная оценка влияния полиамидной дисперсной арматуры на проницаемость пенобетонов

4.3.1 Оценка зависимости сорбционного увлажнения пенобетона от количества дисперсной арматуры

4.3.2 Влияние расхода дисперсной арматуры на паропроницаемость пенобетонов

4.3.3 Влияние добавок-электролитов на поровую структуру и физико-механические свойства пенобетонов

4.4 Теоретическая и экспериментальная оценка влияния полиамид® ной дисперсной арматуры на теплопроводность пенобетонов 197 Выводы по главе

Глава 5. Механические свойства фибропенобетонов

5.1 Теоретическое обоснование повышения прочности пенобетонов при дисперсном армировании их волокнами

5.2 Экспериментальные исследования влияния параметров дисперс-1f. ного армирования на энергоёмкость разрушения и модуль деформаций пенобетонов

5.2.1 Влияние дисперсного армирования на модуль упругости и растяжимость пенобетонов

5.2.2 Оценка влияния дисперсного армирования на работу разрушения пенобетона при изгибе

5.3 Исследование влияния параметров дисперсного армирования на прочность и трещиностойкость фибропенобетона

5.4 Влияние дисперсного армирования на усадочные деформации в пенобетонах неавтоклавного твердения

Выводы по главе

Глава 6. Основные результаты внедрения технологии фибропенобетона 248 6.1 Методика проектирования состава фибропенобетона

6.1.1 Общие положения

6.1.2 Методики определения пластической прочности смесей и целесообразного расхода пенообразователя

6.1.3 Методика определения равномерности распределения фибры по объёму пенобетонной смеси

6.1.4 Методика проектирования и подбора состава фибропенобето

6.1.5 Технологические основы изготовления изделий из фибропе-нобетона

6.2 Технико-экономическая эффективность применения в строительстве фибропенобетона неавтоклавного твердения 261 Выводы по главе

Важнейшей задачей современного строительства является повышение эффективности, качества, надежности и долговечности конструкций и сооружений при максимально возможном снижении их материалоёмкости и капитальных затрат. Использование в строительстве высокоэффективных теплоизоляционных материалов позволяет создавать лёгкие ограждающие конструкции, отвечающие современным требованиям архитектуры, градостроительства, комфортности жилья, сокращать материалоёмкость и общестроительные затраты на возведение зданий.

В этой связи актуальной проблемой является разработка научных основ структурообразования и совершенствования технологии пенобетонов неавтоклавного твердения.

В настоящее время к технологии ячеистых бетонов обращено пристальное внимание ученых и практиков. Понимание ограниченности материальных ресурсов на планете Земля привело к тому, что развитые страны ещё в первой половине XX века приняли жесткие нормативы, регламентирующие размеры тепловых выбросов в окружающую среду. В России новые требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций зданий вступили в действие с 01.01.2000 г. (СНиП П-3-79* "Строительная теплотехника"). Необходимость соблюдения этих требований вынуждает строителей применять при возведении зданий новые строительные материалы и технологии. Таким образом, государство с одной стороны резко ограничивает негативное влияние результатов жизнедеятельности населения на экологическое равновесие окружающей среды, а с другой - законодательно создает условия для снижения расходов энергии на поддержание комфортного теплового режима в зданиях (отопление и кондиционирование).

По мнению многих специалистов, оптимальным конструктивным решением противоречивой проблемы улучшения теплозащитных свойств и увеличения долговечности ограждающих конструкций зданий являются одно- или двухслойные (в сочетании с кирпичем) стены из ячеистых л бетонов плотностью 400.600 кг/м . В условиях постоянного и быстрого роста цен на энергоносители особой привлекательностью обладают изделия для ограждающих конструкций из ячеистых бетонов неавтоклавного твердения. Но независимо от технологии приготовления смесей практически все разновидности пенобетонов естественного твердения характеризуются интенсивным развитием усадочных деформаций в период набора прочности. Причем, чем меньше плотность, тем выше усадочная деформативность. Усадка пенобетонов плотностью 300.400 кг/м3 может достигать 7 мм/м. Столь высокие значения усадочных деформаций налагают весьма жесткие ограничения на области применения изделий из пенобетонов неавтоклавного твердения и эффективность их использования в строительстве.

При дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами возможно снижение усадочных деформаций. А это значит, что изделия из дисперсно армированных пенобетонов при низкой энергоёмкости их изготовления, должны отличаться улучшенными эксплуатационными свойствами по сравнению с традиционно применяемыми в строительстве пеноматериалами. Поэтому результаты исследований структурообразования и свойств пенобетонов неавтоклавного твердения дисперсно армированных синтетическими волокнами должны быть положены в основу направленного совершенствования технологии их производства, и эффективно служить решению важнейших задач современного строительства.

В связи с изложенным автором выполнен обширный комплекс исследований в области направленной организации структуры пенобетонных смесей с целью получения заданных физико-механических свойств, разработаны научно обоснованные технологические принципы получения таких материалов широкого спектра назначения.

В основу работы положена гипотеза о том, что повышение агрегативной устойчивости смесей в период преобладания вязких связей между компонентами способствует уменьшению количества дефектов структуры в затвердевших бетонах, что достигается введением в зернистую дисперсную систему - пенобетонную смесь - протяженных поверхностей раздела фаз в виде синтетических волокон (фибры).

Целью работы является развитие научных представлений о закономерностях формирования структуры фибропенобетонов и разработка теоретических и методологических принципов рецептурно-технологического регулирования их свойств.

Для достижения поставленной цели:

- изучались особенности массопереноса при формировании вязкой и упруго-пластичной структур пенобетонных смесей;

- выявлен эффективный вид волокнистых материалов, пригодный для применения в технологии пенобетонов;

- установлены характер и мера влияния синтетической дисперсной арматуры на особенности массопереноса и процессы структурообразования в пенобетонных смесях;

- исследованы основные физико-механические и деформативные свойства фибропенобетонов;

- разработаны технологические способы и практические рекомендации по управлению агрегативной устойчивостью смесей и физико-механическими свойствами затвердевших бетонов;

- разработана научно обоснованная методика проектирования состава пенобетонных смесей;

- осуществлена апробация и промышленное внедрение результатов исследований.

Научная новизна.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние размеров длинноволокнистых частиц на скорость формирования кластерных агрегатов в газонаполненных дисперсных системах.

Установлена зависимость интервала водосодержания агрегативно устойчивых дисперсных систем от степени насыщения длинноволокнистыми дисперсными частицами. Сформулированы основные технологические принципы повышения агрегативной устойчивости пенобетонных смесей за счет дисперсного армирования волокнами.

Научно обосновано и экспериментально установлено влияние длины армирующих волокон на кинетику тепловыделения и скорость формирования упруго-пластичных связей между компонентами твердой фазы. Сформулированы принципы назначения допустимой длины волокон в зависимости от высоты формуемого массива.

Установлены закономерности механизма повышения плотности цементного камня в зоне его контакта с длинноволокнистыми дисперсными частицами с учетом неравномерности распределения плотности энергий на границах раздела фаз.

Развиты теоретические положения о структурных особенностях газонаполненных смесей, которые впервые позволили:

- классифицировать пенобетонные смеси, как суспензии композиционного типа, в которых плотность дисперсных фаз различается более чем на два математических порядка, а твердая и газовая фазы способны менять величину дисперсности в период, когда агрегативная устойчивость компонентов обеспечивается только вязкими силами;

- выявить новые аспекты закономерностей массопереноса, обеспечивающие возможность формирования и сохранения пленок

ПАВ на границах раздела "газ - жидкость" со свойствами жидких кристаллов;

- научно обосновать зависимость агрегативной устойчивости структуры и свойств бетона от кинетики пластической прочности смесей;

- установить критерии выбора вещественной природы дисперсных волокнистых частиц с позиций эффективности их применения в технологии пенобетонов;

- предложить методику расчета целесообразного расхода дисперсной арматуры с учетом её геометрических параметров и водосодержания смесей.

Научно обоснована и экспериментально подтверждена эффективность управления капиллярной пористостью пенобетонобетонов путем дисперсного армирования полиамидными волокнами. Установлено влияние дисперсного армирования на способность пенобетона сорбировать и транспортировать парообразную влагу.

Теоретически обосновано повышение прочности пенобетонов при дисперсном армировании за счет диссипации энергии от внешней нагрузки. Получен материал, превосходящий по своим показателям численные значения равноплотных аналогов.

Определены методологические принципы рецептурно-технологического регулирования процессов производства фибропенобетонов по критериям энергоемкости и качества выпускаемой продукции.

Научная новизна исследований подтверждена патентами РФ на изобретения.

На защиту выносятся:

- методологические принципы управления структурообразованием газонаполненных дисперсно-зернистых систем с помощью протяженных поверхностей раздела фаз;

- теоретическое обоснование и общие закономерности влияния протяженных поверхностей раздела фаз - дисперсной арматуры на меру агрегативной устойчивости пенобетонных смесей и физико-механические свойства затвердевших бетонов;

- теоретические разработки и практические данные по проблеме структурообразования пенобетонных смесей с позиций механики дисперсных систем, коллоидной и физической химии, физики растворов;

- научные и экспериментальные результаты комплексных исследований вязко-пластических, структурных и физико-механических свойств пено- и фибропенобетонов;

- научно-обоснованная методика проектирования составов пено- и фибропенобетона;

- результаты внедрения технологии фибропенобетона в промышленность стройиндустрии и практику строительства.

Практическая значимость работы состоит в разработке реализуемых на практике методологических основ энергосберегающей технологии фибропенобетона * неавтоклавного твердения, характеризующегося, по сравнению с традиционными видами ячеистых бетонов, комплексным улучшением физико-механических свойств, обеспечивающих снижение материалоёмкости строительства.

Предложена научно обоснованная, достоверная и удобная для технологической практики методика проектирования состава пено- и фибропенобетона. Результаты исследований использованы при разработке и подготовке нормативных документов по технологии изготовления фибропенобетона неавтоклавного твердения и изделий из него.

На основе представленных в диссертации результатов исследований решены прикладные задачи повышения качества строительной продукции, комплексного снижения энерго- и трудозатрат на этапах:

- изготовления изделий;

- возведения из них строительных конструкций;

- эксплуатации конструкций в составе строительных объектов.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы включены в Государственную программу "Строительство доступного жилья", комплексную целевую программу развития производства строительных материалов в Ростовской области на 2004.2008 г. Защищаемая технология прошла производственную проверку в ЗАО "ФИПЕБ". Используется в соответствии с лицензионным договором №15139/02, зарегистрированном в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (Роспатенте). ЗАО "ФИПЕБ" осуществляет серийное изготовление стеновых блоков, теплоэффективных перемычек, галтелей, плит утепления фасадов и других изделий.

Результаты исследований включены в нормативные документы:

- ТУ 5830-017-02069111-96 "Блоки из фибропенобетона конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные", Ростов-на-Дону, 1996.-20 е.;

- ТУ 5767-033-02069119-2003 "Изделия из фибропенобетона", Ростов-на-Дону, 2003 г. - 17 е.;

- ТУ 5828-035-02069119-2004 "Перемычки из фибропеножелезобетона для жилых и общественных зданий", Ростов-на-Дону, 2004 г. — 37 с.

Разработаны:

- "Рекомендации по изготовлению изделий из неавтоклавного фибропенобетона для сельского строительства", Ростов-на-Дону, СевкавЗНИИЭПсельстрой, 1984.-24 с;

- "Рекомендации по изготовлению и применению фибропенобетона неавтоклавного твердения средней плотностью 400.600 кг/м3, Северо-Кавказский научный центр высшей школы, Ростов-на-Дону, 1993.-18 с;

- Техническая документация для изготовления пенобетонов неавтоклавного твердения в АО "Дон", г. Усть-Донецк Ростовской области, 1995. - 38 с;

- Техническая документация по технологии монолитного фибропенобетона на нетрадиционных заполнителях для АО "Дон", г. У сть-Донецк Ростовской области, 1997. — 35 с;

- Технологический регламент на производство блоков из фибропенобетона конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных", Ростов-на-Дону, 1996. - 19 с;

- Технологический регламент на производство стеновых изделий из фибропенобетона для АО "Строй-Три", г. Самара, 1997. - 21 с;

- Технологический регламент на производство фибропенобетона плотностью 700.800 кг/м3 для ООО МПФ "ТЕМП", г. Ростов-на-Дону, 2001.- 19 с;

- Технологический регламент на производство изделий из фибропенобетона для ЗАО "ФИПЕБ", г. Ростов-на-Дону, 2003. - 21 с.

Издано учебное пособие "Физико-химические основы механики композиционных материалов", Ростов-на-Дону, РГАС, 1994, 74 с.

Вклад автора в разработку проблемы состоит в научной и методической постановке задач исследований, создании геометрических моделей пено- и фибропенобетона, развитии научных представлений о закономерностях структурообразования пено- и фибропенобетонных смесей, разработке методики оценки равномерного распределения дисперсной арматуры по объёму пенобетонной смеси, создании нового метода проектирования состава пенобетона, выполнении экспериментальных исследований и получении новых научных и практических результатов, внедрении в производство научно обоснованных технических и технологических рекомендаций.

Достоверность результатов работы обеспечена применением достижений фундаментальных наук, для управления процессами формирования структуры пено- и фибропенобетонов, использованием современных методов изучения структурообразования и структуры композиционных материалов. При выполнении экспериментальных исследований использовалось аттестованное и поверенное оборудование, соблюдались стандарты на методы испытаний. Доказательность ряда научных положений подтверждена независимыми результатами исследований. Основные численные результаты и количественные закономерности получили вероятностную оценку на основании статистической обработки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технических конференциях Ленинградского инженерно-строительного института в 1979-1983 гг.;

- президиуме научно-технического центра сельскохозяйственного строительства Эстонской ССР, г. Таллинн, 1982 г.;

- VI областной научно-технической конференции "Использование отходов производства в строительной индустрии", г. Ростов-на-Дону, 1984 г.;

- научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета с 1981 по 2004 гг.;

- республиканском научно-техническом совещании по фибробетону, г. Рига, 1988 г.;

- всесоюзной научно-методической конференции "Проблемы подготовки и переподготовки специалистов в области создания изделий из композиционных материалов", г. Ворошиловград, 1990 г.;

- региональном научно-техническом семинаре по повышению коррозионной стойкости материалов, г. Уфа, 1990 г.;

- международном семинаре "Физико-химические и технологические ^ особенности получения малоцементных строительных материалов и конструкций", г. Одесса, 1992 г.;

- VII Международном конгрессе "Применение полимеров в бетоне", Москва, 1993 г.;

- III международной конференции "Экология города", г. Ростов-на-Дону, 1994 г.;

- НТК "Исследования в области архитектуры, строительства и охраны • окружающей среды", г. Самара, 2000 г.;

- МНПК "Бетон и железобетон в III тысячелетии", г. Ростов-на-Дону, 2000, 2002 и 2004 гг.;

- 55-й МНТК "Актуальные проблемы современного строительства", СПбГАСУ, С-Петербург, 2001 г.;

- международной конференции по фибробетону в г. Брауншвайг (ФРГ), 2002 г.; щ - научно-техническом семинаре "Технология пенобетона" кафедр

Строительные материалы" и "Инженерная химия" СПбГУПС, г. С-Петербург, 17.10.2003 г.;

- МНПК Российской академии естествознания "Современные наукоёмкие технологии. Технологии - 2004", Турция, Анталия, 2004 г;

- межотраслевой НПК "Актуальные проблемы архитектурно-строительного комплекса", Воронеж, 2004;

- VIII академических чтениях РААСН "Современное состояние и ('ф перспектива развития строительного материаловедения", г.Самара,

2004 г.;

- на 1-й международной специализированной выставке "ЖКХ России -2004", г. Санкт-Петербург, 9-12 ноября 2004 г.;

- на X специализированной выставке "Строим наш дом", г. Ростов-на-Дону. Диплом "Гран-При" участника конкурса "Новые прогрессивные строительные материалы и технологии в строительстве", 3-5 ноября 2004 г.;

- на научно-практической отчетной конференции-выставке "Научно-технические инновации в строительстве", г. Москва, МГСУ — Спецстрой РФ, 7-10 декабря 2004 г.

Публикации. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 115 работах, в том числе 1 учебном пособии, 1 справочнике, 3 патентах на изобретения, 7 патентах на полезные модели, 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 265 наименований и 15 приложений. Диссертация изложена на 336 страницах, включает 82 рисунка и 52 таблицы.

Общие выводы

Разработаны теоретические основы структурообразования и технологические способы получения фибропенобетонов с заданными свойствами, что позволяет снизить энергоемкость производства и расширить сырьевую базу при получении пенобетонов неавтоклавного твердения со свойствами, превышающими показатели равноплотных аналогов.

Анализ структурных особенностей пенобетонных смесей впервые позволил: классифицировать их как суспензии композиционного типа, в которых плотность дисперсных фаз различается более чем на два математических порядка, а фазы твердая и газовая способны менять параметры дисперсности в период, когда агрегативная устойчивость компонентов обеспечивается только вязкими связями; выявить новые аспекты закономерностей массопереноса, имеющие место при -перемешивании пенобетонных смесей. Установить, что под действием рабочего органа смесительного агрегата осуществляется сложное деформирование дисперсионной среды, в результате которого ПАВ, перемещающиеся из объёма жидкой фазы на границу раздела "газ-жидкость", формируют пленки со свойствами жидких кристаллов. Научно обосновано и экспериментально подтверждено влияние минералогического состава цемента на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей. Установлено, что кинетика пластической прочности регулируется скоростью уменьшения объёма водной составляющей дисперсионной среды. Выявлен экстремальный характер зависимости агрегативной устойчивости от расхода пенообразователя, который послужил основой для создания новой методики проектирования и подбора состава пено- и фибропенобетонных смесей.

4. Научно обоснована технико-экономическая целесообразность применения полиамидных волокон в технологии пенобетонов. Она слагается из комплекса физико-химических и механических свойств, обеспечивающих эффективность применения в сочетании с достаточным объёмом их промышленного производства.

5. Разработаны геометрические модели пено- и фибропенобетонной смесей, на основе которых теоретически выявлены особенности влияния пенных пленок и полиамидной дисперсной арматуры как протяженной поверхности раздела фаз на кинетику структурообразования. Установлено, что ускорение агрегации зернистых частиц зависит от параметров дисперсного армирования и управляет продолжительностью временного промежутка, в течение которого газовая фаза может покидать дисперсную систему в результате коалесценции. Дисперсное армирование позволяет сокращать время агрегативной метастабильности с 240 до 15 минут.

6. Экспериментально установлено 10. 12% повышение прочности вязких связей между компонентами твердой фазы на каждый % дисперсного армирования по объёму твердой фазы. Введены понятия первичной и оптимальной волокнистых структур в составе пенобетонных смесей и предложены уравнения для их расчета. Установлена зависимость кинетики пластической прочности пенобетонных смесей от длины армирующих волокон, позволяющая назначать длину фибры с учетом требуемой высоты формования бетонного массива.

7. Подтверждена достоверность математической модели тонких водных пленок на поверхности твердых частиц, учитывающая неравномерность распределения плотности энергий на границах раздела фаз. Из модели следует, что соотношение между геометрическими параметрами фибры и размерами частиц цемента влияет на кинетику адсорбционных процессов дисперсных зернистых частиц обводненной твердой фазы в присутствии полиамидного волокна, а, результирующее давление, развиваемое тонкой водной плёнкой, всегда будет направлено к поверхности фибры.

8. Научно обоснована и экспериментально подтверждена важнейшая структурообразующая роль фибры. Она заключается в том, что при трении зернистых частиц дисперсии о протяженную поверхность раздела фаз, к ней, как области максимальных напряжений в дисперсной системе, перемещаются самые мелкие из них. Под действием напряжений, развивающихся в дисперсной системе при перемешивании её компонентов, зернистые частицы ориентируются таким образом, что вокруг поверхности трения из них формируется слой повышенной плотности, что обеспечивает улучшение параметров дифференциальной и интегральной пористости пенобетонов. Эффективность управления структурой пор зависит от равномерности распределения фибры в объёме бетонной матрицы и составляет 10. 15% уменьшения водопоглощения по объёму на каждый процент армирования.

9. Сформулирована гипотеза о влиянии трещиноватости (дефектности) стенок капиллярных пор на способность материалов сорбировать и транспортировать парообразную влагу. Установлено, что снижение паропроницаемости за счет дисперсного армирования составляет 25.47% по отношению к равноплотному пенобетону. Показано, что введением добавок - электролитов можно регулировать не только скорость набора прочности дисперсно армированных бетонов, но и управлять параметрами паропроницаемости, что позволяет смягчать или исключать проблемы конденсации влаги при сочетании фибропенобетона с другими материалами в конструктивных элементах зданий.

10. Научно обосновано влияние рецептуры материала и параметров капиллярно пористой структуры пенобетонов на их теплопроводность в состоянии сорбционной влажности и сухом. Сформулирована гипотеза о влиянии геометрических размеров капиллярных пор на способность влажных материалов проводить тепло. Аналитическая и экспериментальная оценка теплопроводности подтвердила достоверность гипотезы и позволили установить, что при дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами их теплопроводность в сухом состоянии понижается на 23.39%, а в состоянии сорбционного равновесия со средой, относительная влажность которой 95%, снижение достигает 36.68%.

11.Выявлены новые закономерности поведения пенобетонов под действием изгибающей нагрузки. Впервые экспериментально определены количественные параметры влияния дисперсного армирования на предельную растяжимость бетонной матрицы и модуль упругости фибропенобетонов. Установлено, что начальный модуль упругости фибропенобетона на 15. 19% превышает этот показатель в равноплотном пенобетоне, а предельная растяжимость бетонной матрицы возрастает на 40.60%, материал утрачивает хрупкий характер разрушения, и его работа под действием изгибающей нагрузки становится аналогичной железобетону, то есть, приобретает три, характерные стадии, напряженно-деформированного состояния. Определена мера эффективности дисперсного армирования по показателю энергоемкости разрушения, которая, в зависимости от стадии напряженно-деформируемого состояния, достигает следующих величин:

- на момент появления первой трещины в растянутой зоне 1,05. 1,15;

- на момент развития магистральной трещины 10. 14 раз;

- на момент разрушения - 70. .80 раз.

13. Впервые установлено, что в связи с изменением характера напряженно-деформируемого состояния, показатели призменной прочности на сжатие в фибропенобетоне не уступают, а наоборот, превышают показатели кубиковой прочности на 30.38%. Повышение прочности на растяжение при раскалывании достигает 1,5.2,5 раз.

14. Впервые установлено, что при дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами развитие усадочных деформаций в условиях нормального твердения завершается к 180 дню твердения, в то время как в неармированных бетонах к этому времени оно достигает только 70%. Абсолютные значения усадочных деформаций в соответствующие сроки твердения различаются в равноплотных фибро- и пенобетонах в 2,0.3,0 раза.

15. На основе изученных закономерностей и выявленного механизма структурообразования разработана новая методика проектирования состава фибропенобетона.

16. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке технических условий и технологических регламентов на производство изделий из фибропенобетона, а также при освоении производства на вновь созданной технологической линии по изготовлению изделий из фибропенобетона неавтоклавного твердения.

1. Баженов Ю.М. Технология бетона: Уч.пос. для ВУЗов. М.: ВШ, 1987.415 с.

2. Перцев В.Т., Шмитько Е.И., Головинский П.А., Роль дисперсности и влажности в процессах структурообразования дисперсно зернистых систем //Изв.ВУЗов. Строительство.-1998, №6.- С.45.50.

3. Тихомиров В.К. Пены.-М.: Химия. 1975.- 264 с.

4. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии: Уч-к для ВУЗов.- 3-е изд. исправл.-СПб: Химия, 1995.-400 с.

5. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии.-2-e изд., переб.и доп.-М.: Химия, 1964.- 528 с.

6. Перцев В.Т. Управление процессами раннего структурообразования '¡É< бетонов. Дисс. .д.т.н.- Воронеж, 2001.- 433 с.

7. Управление процессами технологии, структурой и свойствами бетонов/ Под ред. Е.М.Чернышева, Е.И.Шмитько: Воронеж ГАСУ, 2002.- 344 с.

8. Шахова Л.Д., Балясников В.В. Пенообразователи для ячеистых бетонов. Белгород, 2002.- 147 с.

9. Нигматулин Р.И. Механика гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.- 336 с.

10. Фадеева B.C. Формирование структуры пластичных паст строительных материалов при машинной переработке.- М.: Стройиздат, 1972.- 222 с.fell. Писаренко А.П., Поспелова К.А., Яковлев А.Г. Курс коллоиднойхимии.-M.: ВШ, 1961.-242 с.

11. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение. Учеб. пособие для строит, спец. вузов: М., ВШ, 2003.- 701 с.

12. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ.-СПб: химия, 1992.-280 с.

13. Красильников К.Г., Никитина J1.B., Скоблинская H.H. Физико-химия собственных деформаций цементного камня. М., Стройиздат, 1980.-С.256.

14. Махамбетова У.К., Солтанбеков Т.К., Естемесов З.А. Современные пенобетоны. СПб, ГУПС, 1999.- 161 с.

15. Кривицкий М.Я., Левин Н.И., Макаричев В.В. Ячеистые бетоны: технология, свойства и конструкции. М.,Стройиздат, 1972.- 136 с.

16. СН 277-80. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона/ Госстрой СССР. М., Стройиздат, 1981.- 47 с.щ, 18. Блещик Н.П. Структурно-механические свойства и реология бетоннойсмеси и прессвакуумбетона. Минск, "Наука и техника", 1977.- 231 с.

17. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. М., "Химия", 1967.- 388 с.

18. Гиббс Дж.В. Термодинамические работы. Госхимиздат, 1950.- 421 с.

19. Шмитько Е.И. Управление процессами твердения и структурообразования бетонов. Дисс.д.т.н., Воронеж, 1994.-525 с.

20. Меркин А.П. Ячеистые бетоны: научные и практические предпосылки дальнейшего развития // Строительные материалы, 1995, №2. С.11-15.

21. Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука, 1982.-584 с.

22. Юндин А.Н., Гусейнова В.В. Поверхностное натяжение водных растворов пенообразователей. В кн.: "Строительство-2002", Ростов-на-Дону, РГСУ, ИСТМ, 2002.- С.44,45.

23. Физико-химическая механика природных дисперсных систем/ под ред. Е.Д.Щукина и др. М.: МГУ, 1985.- 265 с.

24. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения.- М., 1963. -380 с.28