автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Теплоизоляционные декоративные сухие строительные смеси с применением модифицированного диатомита

На правах рукописи

Симонов Евгений Евгеньевич

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ДЕКОРАТИВНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННОГО ДИАТОМИТА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 АПР 2013

Пенза 2013

005057806

005057806

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Логанина Валентина Ивановна

Официальные оппоненты: Ерофеев Владимир Трофимович

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», зав. кафедрой «Строительные материалы и технологии»

Тараканов Олег Вячеславович

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», зав. кафедрой «Кадастр недвижимости и право»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова»

Защита состоится 17 мая 2013 года в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.184.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28, корп.1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан 15 апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бакушев Сергей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Устойчивая тенденция повышения стоимости топливно-энергетических ресурсов приводит к необходимости повышения теплозащиты зданий. Одним из рациональных способов повышения теплозащиты эксплуатируемых зданий является дополнительное наружное утепление их ограждающих конструкций за счет применения теплоизоляционного отделочного слоя. В практике строительства при выполнении отделочных работ все большее применение находят сухие строительные смеси (ССС). В структуре цены ССС себестоимость сырья составляет от 30-40 %. В связи с этим актуальным является применение местных материалов в рецептуре ССС.

В России, в том числе и на территории Поволжья, имеются значительные запасы диатомита, который может быть применен при изготовлении ССС. Диатомит, состоящий преимущественно из аморфного кремнезема, в тонкодисперсном состоянии в присутствии влаги взаимодействует с вяжущими, но прочность таких растворов при воздушно-сухом твердении невелика. Применяющийся в настоящее время метод активации диатомита заключается в его термообработке при температуре 900-950 °С. Разработка альтернативного способа повышения активности диатомита является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит снизить энергозатраты при активации диатомита и создать теплоизоляционные ССС, покрытия на основе которых будут обладать повышенной эксплуатационной стойкостью.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госконтракта с Министерством образования и науки РФ № 13.С25.31.0092 от 22 октября 2010 г. «Создание наукоемкого производства по выпуску пеностеклокера-мики на основе опал-кристобалитовых пород».

Цель работы. Разработка рецептуры теплоизоляционной декоративной сухой строительной смеси с применением модифицированного диатомита.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-исследовать закономерности модификации диатомита золем кремниевой кислоты;

-разработать составы и технологию получения теплоизоляционных декоративных сухих строительных смесей;

-подготовить нормативные документы для реализации результатов исследований.

Научная новизна. Установлены закономерности модификации диатомита золем кремниевой кислоты. Методом спектроскопии установлено повышение на 5,4 % содержания кремнезема БЮг в диатомите, модифицированном золем кремниевой кислоты. Выявлено увеличение активности модифицированного золем кремниевой кислоты диатомита как гидравлической добавки. Показано, что активность модифицированного диатомита составляет 400 мг/г, а активность немодифицированного диатомита —

370 мг/г. Выявлено, что обработка диатомита золем кремниевой кислоты способствует гидрофилизации его поверхности.

Методом сканирующей зондовой микроскопии установлено повышение однородности структуры диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты. Показано, что структура модифицированного диатомита характеризуется порами диаметром от 75 до 150 нм, а немодифициро-ванного диатомита - от 150 до 650 нм. Значение фрактальной размерности поверхностного фрактала немодифицированного диатомита составляет D = 2,52, а модифицированного диатомита D = 2,05.

Методом РФА, ДТА, оптической микроскопии установлено, что известково-диатомитовые составы с применением диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты, характеризуются большим количеством гидросиликатов кальция, уменьшением портландита.

Установлено, что при применении в качестве отделочного слоя разработанного известково-диатомитового состава наблюдается смещение нулевой изотермы в сторону пониженных температур на 4-9 мм в зависимости от конструктивного решения ограждения, вида утеплителя и климатических условий эксплуатации.

Практическая значимость. Разработан состав для наружной и внутренней отделки стен зданий в виде сухой смеси, включающей гашеную известь, диатомит, модифицированный золем кремниевой кислоты, кварцевый песок, пластификатор С-3 и редиспергируемый порошок Neolith Р7200 и позволяющий получить растворные смеси с водоудерживающен способностью 95-96 %, временем высыхания до степени «5» 25-30 мин, жизнеспособностью 8-10 часов. Покрытия на основе предлагаемой ССС характеризуются коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/(м-°С), прочностью сцепления 0,6-0,9 МПа, прочностью при сжатии 3-4 МПа. Расход сухой смеси составляет 0,6-0,8 кг/м2при толщине отделочного слоя 5 мм.

Разработана технологическая схема производства сухой отделочной смеси и рассчитана технико-экономическая эффективность их применения. Разработан нормативный документ — проект стандарт организации СТО 3.003-2012 «Смеси сухие строительные», регламентирующий основные свойства разработанных составов.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО РСУ «Спецработ».

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 200500 «Метрология, стандартизация и сертификация», 270800.62 «Строительство» профилей 270800.62-05 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и доложены на научно-практической конференции «У.М.Н.И.К.» (г.Пенза, 2011);

Международной конференции «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (г.Пенза, 2012); Международном форуме «Евразия» (г.Екатеринбург, 2011); Всероссийском конкурсе «Российским инновациям — Российский капитал» (г.Нижний Новгород, 2012); Всероссийском конкурсе «Эврика» (г.Новочеркасск, 2011); молодёжной конференции в рамках международного экономического форума (г.Астана, 2011); Всероссийском молодежном форуме «Селигер» (г.Тверь, 2011); молодежном образовательном форуме «Инерка» (г.Саранск, 2012).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 15 научных публикациях, в том числе 9 статей в журналах, входящих в перечень ВАК Получен патент РФ 2456255 «Состав для отделки» Бюл. №20, опубл. 20.07.2012 г.

Достоверность результатов работы обеспечивается сопоставлением результатов экспериментальных исследований с производственным апробированием, статистической обработкой результатов экспериментальных исследований, проведением исследований на оборудовании, прошедшем метрологическую поверку.

На защиту выносятся:

1) составы и технология теплоизоляционных декоративных ССС для отделки стен зданий;

2) результаты исследований процессов структурообразования известковых теплоизоляционных декоративных ССС;

3) закономерности модификации диатомита золем кремниевой кислоты

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,

библиографического списка и приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 150 наименований, 2 приложения.

Автор выражает искреннюю признательность канд. техн. наук, доценту О.В. Карповой, канд. техн. наук O.A. Давыдовой за советы и помощь по организации и проведению экспериментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На территории Поволжья имеются значительные запасы диатомита, ценнейшим качеством которого как сырья является возможность производить на его основе различные высококачественные строительные материалы, в том числе сухие строительные смеси (ССС). Активность взаимодействия диатомита с минеральными вяжущими (цемент, известь) обусловлена содержанием аморфного Si02, количество которого может колебаться от 40 до 100% к общему количеству Si02. Повышения активности диатомита можно достичь за счет увеличения содержания в нем аморфного кремнезема при обработке золем кремниевой кислоты.

В качестве сырья в работе применяли известь 2 и 3 сортов с активностью соответственно 84 и 71%, в качестве мелкого заполнителя — сурский кварцевый песок фракций 0,63-0,315мм и 0,315-0,14мм в соотношении 80:20. Для получения золя кремниевой кислоты применялся способ, основанный на ионообменной хроматографии. Жидкое стекло плотностью 1056 кг/м3 пропускали через ионообменную колонку с катионитом и получали золь кремниевой кислоты с рН 4,5-5,0 и плотностью 1013-1030 кг/м3. Технология введения золя предусматривала смешение молотого диатомита с удельной поверхностью 5УД = 10900 см2/г с золем кремниевой кислоты в соотношении 1:(1,1-1,8). Полученная суспензия выдерживалась в течение 1 часа, после чего высушивалась до постоянной массы и измельчалась до той же величины удельной поверхности. Установлено, что содержание SiC>2 в модифицированном диатомите, обработанном золем кремниевой кислоты при соотношении диатомит: золь кремниевой кислоты = 1:1,5 увеличилось до 89,68%, в то время как в контрольном - 85,81 %, а при соотношении 1:1,8 до 89,73 %

Обработка диатомита золем кремниевой кислоты способствует его гидрофилизации. Удельная теплота смачивания контрольного диатомита составляет <2=0,013 кДж/г, а диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты в соотношении диатомит: золь кремниевой кислоты 1:1,8,-0,03 8 кДж/г.

Для оценки локальной структуры поверхности диатомита применяли методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), в частности, использовался атомно-силовой микроскоп. Анализ АСМ-изображения свидетельствует об изменении высоты поверхностного рельефа. Значение фрактальной размерности поверхностного фрактала для поверхности немодифицированного диатомита составляет D = 2,52. Шероховатость поверхности диатомита составляет /?а= 989 нм.

Установлено, что поверхность модифицированного диатомита содержит определенное количество пор нанометрического диапазона. В основном присутствуют поры с диаметром от 75 до 150 нм, у немодифицированного диатомита — от 150 до 650 нм. Значение фрактальной размерности поверхностного фрактала при модификации диатомита золем кремниевой кислоты в соотношении 1:1,3 составляет D = 2,26. Значение шероховатости Да составляет Ra = 142 нм, 50-95 % приходится на высоту рельефа поверхности, составляющей 208 нм, а 10-50 % - 271 нм (рисунок 1).

Дополнительно для оценки эффективности модификации диатомита определяли его активность как минеральной добавки по величине растворимости в 20 % растворе КОН. Установлено, что активность немодифицированного диатомита составляет 370 мг/г, а активность модифицированного диатомита - 400 мг/г.

а)

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Диаметр пор, нм

б)

« 0,11 -Г—-

0

У 0.1 - -

Ö* -

§ 0,09 - -

м __]-

1 0,06 -

я

g 0,07 -я

О 0,06 -

0,05 - -

0,04 --

0,03 - _

0,02 - -

0,01 - --

0 ---------I—-I----------

50 150 250 350 450 550 650 750 850 350

Диаметр пор, НМ

Рисунок 1 — Гистограмма распределения диаметра пор диатомита: а — модифицированного кремнезолем в соотношении 1:1,5; б — ^модифицированного

Для оценки фазового состава известкового композита применялись методы рентгенофазового (РФА) и дифференциально-термического (ДТА) анализа. Установлено, что базовый состав известково-диатомитовых образцов представлен интенсивными линиями 10,059 Ä, 3,353 Ä, 3,042 Ä, 2,456 Ä, относящимися к кварцу и менее интенсивными линиями 1,797 Ä, 1,685 Á, 1,542 Á, относящимися к гидросиликатам кальция. Кроме того,

идентифицируются портландит (4,902 А, 3,11 А, 2,634 А) и кальцит (2,283 А, 1,875 А) (рисунок 2, а).

На рентгенограмме известково-диатомитовых образцов с применением диатомита, активированного золем кремниевой кислоты, идентифицируются линии, относящиеся к гидросиликатам (4,256 А, 3.037 А, 1,481 А), однако по сравнению с контрольным составом (без активации диатомита) интенсивность пиков увеличена. Кроме того, уменьшается интенсивность пиков, относящихся к портландиту (2,634 А, 1,796 А, 1,685А) (рисунок 2, б).

а)

б)

10.5

^ «3 ОООО

м — о.

^ 00 -

26,0

20,0.

10.0

50.3

60.}

10,0

§0.5

30. г

10.0

оо ч £

20.0

30.8

10.0

50.-1

¡0..0

70,0

80.0

Рисунок 2 - Рентгенограмма известково-диатомитовых композитов: а - базовый состав; б - состав на основе диатомита, модифицированного кремнезолем Полученные данные свидетельствуют о более интенсивном взаимодействии извести с модифицированным диатомитом. Было определено также количество свободной извести СаО в процессе твердения известкового композита. Образцы с применением наполнителя на основе модифицированного диатомита характеризуются большим количеством связанной извести. В возрасте 7 суток твердения количество химически

связной извести составляет 45,76 %, а в контрольном образце - 31,74 %, в возрасте 28 суток соответственно 48,5 % и 34,5 % .

При термографическом анализе композитов установлено, что дополнительный эндоэффект при температуре 650°С, отсутствующий на термограмме контрольных образцов, связан с дегидратацией гидросиликатов кальция, что свидетельствует об их большем содержании в известковом композите с применением диатомита, модифицированного кремнезолем.

Общая потеря массы контрольных образцов составляет 20%, а образцов с применением диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты, — 17,5 %. Значительное увеличение эндоэффекта в области до 114,6°С, характеризующего удаление адсорбционной влаги и потерю воды гелевидной составляющей, свидетельствует о значительном увеличении фаз, находящихся в коллоидном состоянии. В образцах на основе немодифи-цированного диатомита наблюдается смещение температуры до 125 °С, при этом количество свободной воды составляет 1,89% (рисунок 2, б). Эндоэффект в интервале температур (420,4-423,1) °С соответствует разложению гидроксида кальция, при этом в контрольных образцах потеря массы составляет 4,33 %, в составах на основе модифицированного золем кремниевой кислоты диатомита - 1,38 % (рисунок 3). Полученные данные свидетельствуют о меньшем содержании гидроксида кальция, что подтверждается также данными РФА.

При исследовании закономерностей структурообразования известково-диатомитовых композиций выявлено, что с увеличением количества золя кремниевой кислоты, применённого на модификацию, происходит увеличение прочности известково-диатомитовых композитов. Составы на основе немодифицированного диатомита имеют прочность при сжатии в возрасте 28 суток твердения в зависимости от водоизвесткового отношения равную 1,6-1,82 МПа, а с применением диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты, - 3,12-3,92МПа, то есть увеличение прочности составляет в 1,95-2,15 раз.

Разработана модель прочности известково-диатомитового композита, учитывающая влияние удельной поверхности диатомита (*,)> известково-диатомитовое (х2) и водоизвестковое отношения (*з).

у = 1,39+ 0,15*,-0,097*2-0,13*3 (1)

Полученные коэффициенты уравнения регрессии свидетельствуют о том, что повышения прочности известково-диатомитового композита можно достичь за счет увеличения удельной поверхности диатомита и одновременном уменьшении водоизвесткового отношения.

Структура известково-диатомитового образца с применением модифицированного диатомита является более однородной с равномерно распределенными порами. Содержание открытых пор в известково-диатомитовом композите с использованием модифицированного диатомита составляет 49,9 %, с применением немодифицированного диатомита - 52,1 %.

Рисунок 3 - Термограммы известково-диатомитового композита а — диатомит, обработанный золем кремниевой кислоты; б — немодифицированный диатомит

Использование модифицированного диатомита в составах сухих строительных смесей способствует изменению их реологических свойств. Составы на основе модифицированного диатомита имеют более быстрый набор пластической прочности. Пластическая прочность известково-диатомового состава с применением модифицированного диатомита в возрасте 10 ч с момента затворения составляет т=0,05 МПа, в то время как с применением немодифицированного диатомита — 0,02 МПа. Для

регулирования реологических свойств составов применялись пластификаторы Хидетал-ГП-9, Melflux 164IF, С-3, Melment F15Ci, Кратосол ГШ, СП-3, Кратосол, Кратосол ПФМ.

Установлено, что известково-диатомитовые составы на модифицированном диатомите обладают несколько большим пластифицирующими свойствами по сравнению с контрольным составом (без модификации диатомита). Наибольший пластифицирующий эффект наблюдается при введении добавки Melflux 1641 F. Введение в рецептуру цемента в количестве 10 % от массы извести способствует ускорению набора пластической прочности.

Одним из регламентированных нормативными документами свойств сухих строительных смесей, готовых к применению, является водоудер-живающая способность, которая должна составлять не менее 95 %. В связи с этим в работе оценивалась водоудерживающая способность известковых композиций. При разработке рецептуры в состав вводились модифицирующие добавки Mecellose FMC 2094 и КМЦ марки 75/400. Выявлено, что известковые составы с добавкой цемента и С-3 в количестве 0,7 % от массы извести обладают достаточной водоудерживающей способностью, составляющей 96 %. В связи с этим отсутствует необходимость введения в рецептуру добавок Mecellose или КМЦ, что приводит к снижению стоимости составов.

Проведенные исследования показали, что покрытия на основе диатомита характеризуются склонностью к трещинообразованию. В связи с этим в работе оценивалась трещиностойкость известковых покрытий. Для повышения когезионной и адгезионной прочности покрытий на основе ССС в рецептуру вводились добавки Neolith 4400, Neolith 7200, Pulver DM1142P. Выявлено, что наибольшее влияние на показатели прочности при сжатии оказывает добавка Neolith 7200. Введение добавки Neolith 7200 в рецептуру ССС в количестве 0,75 % от массы сухой смеси увеличивает прочность композита в 1,5 раза.

Для оценки трещиностойкости дополнительно исследовали усадочные деформации в процессе твердения отделочных составов. Для уменьшения усадочных деформаций покрытий в рецептуру ССС дополнительно вводились добавка Denka SCI в количестве 1% от массы вяжущего, в качестве мелкого заполнителя использовали сурский кварцевый песок фракций 0,63-0,315мм и 0,315-0,14 мм в соотношении 80:20. Совместное использование добавок С-3, Denka SCI и Neolith 7200 приводит к значительному снижению усадочных деформаций, составляющих е=0,35 мм/м.

Дополнительно трещиностойкость покрытий оценивалось по показателю коэффициента трещиностойкости Л"треш, который определялся как отношение прочности при изгибе к прочности при сжатии

К = ^^ .Установлено, что при введении в рецептуру добавок Denka

SCI, Neolith 7200 и C-3 коэффициент трещиностойкости повышается и составляет /Сфещ=0,44.

Для оценки эксплуатационной стойкости покрытий на основе ССС определяли стойкость покрытий к переменному замораживанию-оттаиванию. В процессе испытания оценивалось визуально качество внешнего вида покрытий в соответствии с ГОСТ 6992-68 «Материалы лакокрасочные. Метод определения устойчивости покрытия в атмосферных условиях». За «отказ» принималось состояние покрытия, оцененное П1.4 баллами. Установлено, что состояние «отказа» отделочного слоя на основе модифицированного диатомита с добавками СЗ, Denka, Neolith наступает после 35 циклов испытаний.

При оценке гидрофизических свойств выявлено, что коэффициент капиллярного водопоглощения покрытий на основе модифицированного диатомита ниже, чем у покрытий на основе немодифицированного диатомита и составляет W= 0,91-0,93 кг/(м2-ч0'5).

Был выполнен расчет тепловлажностного состояния ограждающих конструкций зданий при наличии отделочного слоя на основе разработанной ССС. При расчетах рассматривалось три варианта отделки:

1 - внутренняя и наружная поверхности конструкции стены отделаны цементно-песчаным раствором плотностью р=1800кг/м3;

2 — внутренняя поверхность конструкции отделана цементно-песчаным раствором плотностью р=1800 кг/м3, наружная поверхность конструкции стены отделана штукатуркой на основе известково-диатомитового состава плотностью 840 кг/м3

3 - внутренняя и наружная поверхности конструкции отделаны штукатуркой на основе известково-диатомитового состава плотностью 840 кг/м

Установлено, что при применении в качестве штукатурки разработанного известково-диатомитового состава наблюдается смещение нулевой изотермы в сторону пониженных температур. В таблице 1 приведены значения границы нулевой изотермы для условий г. Пензы по данным наиболее холодной пятидневки и среднемесячной температуры января.

Таблица 1 - Положение нулевой изотермы в сечении конструкции для условий г. Пензы____

Варианты отделки Расстояние от границы утеплителя до нулевой изотермы, м

По данным наиболее холодной пятидневки По данным среднемесячной температуры в январе

Утеплитель — плиты из пенополистирола

1 0,012 0,042

2 0,015 0,045

3 0,016 0,049

Утеплитель — плиты из пеностеклокерамики

1 0.060 0,118

2 0,061 0,125

3 0,065 0,127

Установлено, что при отделке конструкции с внешней и внутренней стороны штукатуркой на основе разработанного известково-диатомитового состава наблюдается смещение нулевой изотермы на 4-7 мм (утеплитель — плиты из пенополистирола) и 5-9 мм (утеплитель — плиты из пеностекла) в сторону пониженных температур по сравнению с применением штукатурки на основе цементно-песчаного раствора.

По результатам исследований оптимальной является сухая смесь, содержащая известь-пушонку, диатомит, модифицированный золем кремниевой кислоты, сурский кварцевый песок фракций 0,63-0,315 мм и 0,315-0,14 мм в соотношении 80:20, суперпластификатор С-3, добавки Denka SCI и редиспергируемый порошок Neolith 7200. Технологические и эксплуатационные свойства отделочного состава на основе разработанной ССС приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Технологические и эксплуатационные свойства отделочного состава __

Наименование показателя Величина показателя

Плотность ССС, кг/м'* 840

Жизнеспособность, час - при хранении в открытых ёмкостях - при хранении в закрытых ёмкостях 8-10 40

Время высыхания при 20 °С до степени «5», мин 25-30

Водоудерживающая способность, % 95-96

Рекомендуемая толщина одного слоя, мм до 5

Расход отделочного состава при нанесении в 1 слой толщиной 5 мм, кг/м2 0,6-0,8

Удобоукладываемость хорошая

Наличие трещин вследствие усадки нет

Морозостойкость, циклы 35

Водостойкость, коэффициент размягчения 0,6

Усадочные деформации, мм/м 0,35

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) 0,16

Адгезионная прочность МПа 0,6-0,9

Разработана технология производства ССС с применением модифицированного диатомита. Полученные результаты легли в основу разработки проекта стандарта организации СТО 3.003-2012 «Смеси сухие строительные».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан состав для наружной и для внутренней отделки стен зданий в виде сухой смеси, включающий гашеную известь, диатомит, модифицированный золем кремниевой кислоты, кварцевый песок, пластификатор С-3 и редиспергируемый порошок Кео1кЬ Р7200 и позволяющий получить растворные смеси с водоудерживающей способностью 95-96 %, временем высыхания до степени «5» 25-30 мин, жизнеспособностью 8-10 часов. Покрытия на основе предлагаемой ССС харак-

теризуются коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/(м-°С), прочностью сцепления 0,6-0,9 МПа, прочностью при сжатии 3-4 МПа. Расход сухой смеси составляет 0,6-0,8 кг/м2 при толщине отделочного слоя 5 мм.

2. Предложено для повышения активности взаимодействия диатомита с известью проводить его модификацию, заключающуюся в обработке его золем кремниевой кислоты. Установлено оптимальное соотношение диатомитгзолъ кремниевой кислоты, составляющее 1:1,5.

Методом спектроскопии установлено повышение на 5,4% содержания кремнезема Si02 в диатомите, модифицированном золем кремниевой кислоты. Выявлено увеличение активности модифицированного диатомита как гидравлической добавки. Показано, что активность модифицированного диатомита составляет 400 мг/г, а активность немодифицированного диатомита 370 мг/г. Выявлено, что обработка диатомита золем кремниевой кислоты способствует гидрофилизации его поверхности.

3. Методом сканирующей зондовой микроскопии установлено повышение однородности структуры диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты. Показано, что структура модифицированного диатомита характеризуется порами диаметром от 75 до 150 нм, а немодифицированного диатомита - от 150 до 650 нм. Значение фрактальной размерности поверхностного фрактала немодифицированного диатомита составляет D = 2,52,а для диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты, — D = 2,05.

4. Методом РФА, ДТА, оптической микроскопии установлено, что известково-диатомитовые образцы с применением диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты, характеризуются большим количеством гидросиликатов кальция, уменьшением портландита. Выявлено уменьшение на 10 % объема открытых пор в известково-диатомитовом композите с использованием модифицированного диатомита.

5. Установлены закономерности изменения прочности известковых композитов в зависимости от дисперсности и содержания диатомита, количества воды затворения, наличия пластифицирующих добавок. Выявлено увеличение прочности в 1,95-2,15 раз известковых композитов с применением модифицированного диатомита. Получена математическая модель прочности, позволяющая подобрать рецептуру ССС в зависимости от удельной поверхности диатомита, воды затворения и известково-диатомитового соотношения.

6. Установлены закономерности изменения реологических и технологических свойств известково-диатомитовых составов. Показано, что модификация диатомита золем кремниевой кислоты способствует ускорению набора пластической прочности.

7. Установлено, что при применении в качестве штукатурки разработанного известково-диатомитового состава наблюдается смещение нулевой изотермы в сторону пониженных температур на 4-9 мм в зависимости от вида утеплителя и климатических условий эксплуатации.

8. Разработана технология производства сухих строительных смесей с применением модифицированного диатомита. Разработан нормативный документ- проект стандарт организации СТО 3.003-2012 «Смеси сухие строительные» по изготовлению и применению ССС с применением модифицированного диатомита.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Логанина, В.И. Влияние щелочной активации на структуру и свойства диатомита / В.И. Логанина, Е.А. Никифоров, Е.Е. Симонов // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2011. -№ 2. - С. 30-32.

2. Логанина, В.И. Влияние активации диатомита на свойства известковых композиций / В.И. Логанина, O.A. Давыдова, Е.Е. Симонов // Известия вузов. Строительство. -2011. -№ 3. - С. 20-23.

3. Логанина, В.И. Влияние активации диатомита на свойства известковых композиций / В.И. Логанина, O.A. Давыдова, Е.Е. Симонов // Вестник ВолгГАСУ. Серия. Строительство и архитектура. - 2011. -№22(41).-С. 83-87.

4. Логанина, В.И. Особенности структурообразования известковых композитов с применением модифицированного диатомита / В.И. Логанина, Е.А.Никифоров, O.A. Давыдова, Е.Е. Симонов // Региональная архитектура и строительство. - 2011. - № 2(11). - С. 4-8.

5. Логанина, В.И. Исследование закономерностей влияния золя кремниевой кислоты на структуру и свойства диатомита / В.И. Логанина, O.A. Давыдова, Е.Е. Симонов // Строительные материалы. - 2011. - № 12 -С. 63-65.

6. Логанина, В.И. Закономерности формирования структуры и свойств известковых композиций с применением модифицированного диатомита / В.И. Логанина, Е.Е. Симонов // Региональная архитектура и строительство -2012. -№ 2. - С. 56-59.

7. Логанина, В.И. Структурообразование известковых композитов на основе модифицированного диатомита / В.И. Логанина, O.A. Давыдова, Е.Е. Симонов // Приволжский научный журнал. -2012. -№ 2. - С. 68-72.

8. Логанина, В.И. Эффективность применения известково-диатомито-вой декоративной штукатурки для отделки ограждающих конструкций / В.И. Логанина, О.В. Карпова, Е.Е. Симонов // Известия вузов. Строительство. - 2012. - № 5. _ с. 44-47.

9. Логанина, В.И. Реологические свойства известковых растворов на основе активированного диатомита / В.И. Логанина, И.А. Аверин, O.A. Давыдова, Е.Е. Симонов //Приволжский научный журнал. - 2012. -№ 3. - С. 71-75.

Публикации в прочих изданиях:

10. Логанина, В.И. Применение модифицированного диатомита в сухих строительных смесях / В.И. Логанина, Е.А. Никифоров, Е.Е. Симонов // Сухие строительные смеси. - 2011. - №4. - С. 14-15.

11. Логанина, В.И. Сухие строительные смеси с применением модифицированного диатомита / В.И. Логанина, O.A. Давыдова, Е.Е. Симонов И Науковий Вісник Будівнива. Вип.64. - Харьків, 2011. - С. 114-118.

12. Логанина, В.И. Эффективность применения модифицированного диатомита в сухих строительных смесях / В.И. Логанина, Е.Е. Симонов // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям. — Новочеркасск, 2011. - С. 407-409.

13. Логанина, В.И. Вапняні оздоблювальні склади із застосуванням модифкованного діатомиту / В.И. Логанина, В.Г. Камбург, Е.Е. Симонов //Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Харьков, 2012. -№ l.-C. 51-54.

14. Логанина, В. И. Підвищення ефективності застосування діатоміту в оздоблювальних складах / В.И. Логанина, Е.Е. Симонов // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2012. - Том 8, № 1. - С. 45-52.

15. Симонов, Е.Е. Повышение эффективности применения диатомита в сухих строительных смесях / Е.Е. Симонов // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов (Материалы VII Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых). - Пенза, 2012. - С. 169-173.

Симонов Евгений Евгеньевич

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ДЕКОРАТИВНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННОГО ДИАТОМИТА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.03.2013. Формат 60x84 1/16

Бумага офисная «Снегурочка». Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0.

Заказ № 72. Тираж 100 экз. _

Издательство ПГУАС. 440028, г. Пенза, ул Германа Титова, 28 E-mail: postmaster@pgasa.com ги

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРХИТЕКТУРЫ И

СТРОИТЕЛЬСТВА»

На правах рукописи

04201356753 Симонов Евгений Евгеньевич

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ДЕКОРАТИВНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННОГО ДИАТОМИТА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования................................................8

1.1. Сухие теплоизоляционные строительные смеси....................................8

1.2. Применение диатомита в сухих строительных смесях...........................15

1.3. Цели и задачи исследования.............................................................24

Глава 2. Характеристика материалов. Методика проведения исследований........26

2.1. Характеристика материалов..............................................................26

2.2 Методика оценки реологических, технологических и физико-механических

свойств отделочных покрытий................................................................28

2.3. Прочие исследования......................................................................33

2.4 Статистическая обработка данных......................................................41

Глава 3. Повышение эффективности использования диатомита в сухих строительных смесях.....................................................................................48

3.1 Физико-химические основы модификации диатомита..............................48

3.1.1 Закономерности модификации диатомита золем кремниевой кислоты.......50

3.1. 2 Закономерности щелочной модификации диатомита............................58

3.2 Выбор вида модификации диатомита...................................................62

Глава 4. Закономерности структурообразования известково-диатомитовых композитов.......................................................................................65

4.1 Исследование закономерностей структурообразования известково-диатомитовых композиций на основе модифицированного кремнезолем диатомита.........................................................................................65

4.2 Реологические и технологические свойства известково-диатомитовых

смесей...............................................................................................76

Глава 5. Эксплуатационные свойства покрытий на основе сухих строительных

смесей.............................................................................................................83

5.1 Эксплуатационная стойкость покрытий на основе ССС...........................83

2

5.1.1 Трещиностойкость известково-диатомитовых отделочных покрытий........83

5.1.2. Оценка морозостойкости...............................................................86

5.1.3 Гидрофизические свойства.............................................................88

5.1.4 Влияние пигментов на свойства отделочного состава.............................90

5.1.5 Адгезионная прочность покрытий на основе ССС.................................92

5.2 Расчет тепловлажностного состояния ограждающих конструкций при наличии отделочного слоя.................................................................................93

5.3 Технология производства с модифицированным диатомитом..................109

5.4 Технико-экономические показатели..................................................114

Библиографический список...................................................................121

Приложение 1. «Акт опытно-производственного апробирования сухой

строительной смеси с применением диатомита»........................................137

Приложение 2. «Стандарт организации «Смеси сухие строительные»»............138

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Устойчивая тенденция повышения стоимости топливно-энергетических ресурсов приводит к необходимости повышения теплозащиты зданий. Одним из рациональных способов повышения теплозащиты эксплуатируемых зданий является дополнительное наружное утепление их ограждающих конструкций за счет применения теплоизоляционного отделочного слоя. В практике строительства при выполнении отделочных работ все большее применение находят сухие строительные смеси (ССС). В структуре цены ССС себестоимость сырья составляет от 30-40%. В связи с этим актуальным является применение местных материалов в рецептуре ССС.

В России, в том числе и на территории Поволжья, имеются значительные запасы диатомита, который может быть применен при изготовлении ССС. Диатомит, состоящий преимущественно из аморфного кремнезема, в тонкодисперсном состоянии в присутствии влаги взаимодействует с вяжущими, но прочность таких растворов при воздушно-сухом твердении невелика. Применяющийся в настоящее время метод активации диатомита заключается в его термообработке при температуре 900-950°С. Разработка альтернативного способа повышения активности диатомита является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит снизить энергозатраты при активации диатомита м создать теплоизоляционные ССС, покрытия на основе которых будут обладать повышенной эксплуатационной стойкостью.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госконтракта с Министерством образования и науки РФ № 13.025.31.0092 от "22" октября 2010г. «Создание наукоемкого производства по выпуску пеностеклокерамики на основе опал-кристобалитовых пород».

Цель работы. Разработка рецептуры теплоизоляционной декоративной сухой строительной смеси с применением модифицированного диатомита. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: -исследовать закономерности модификации диатомита золем кремниевой кислоты;

разработать составы и технологию получения теплоизоляционных декоративных сухих строительных смесей;

-подготовить нормативные документы для реализации результатов исследований.

Научная новизна. Установлены закономерности модификации диатомита золем кремниевой кислоты. Методом спектроскопии установлено повышение на 5,4% содержания кремнезема Si02 в диатомите, модифицированном золем кремниевой кислоты. Выявлено увеличение активности модифицированного золем кремниевой кислоты диатомита как гидравлической добавки. Показано, что активность модифицированного диатомита составляет 400мг/г, а активность немодифицированного диатомита - 370мг/г. Выявлено, что обработка диатомита золем кремниевой кислоты способствует гидрофилизации его поверхности.

Методом сканирующей зондовой микроскопии установлено повышение однородности структуры диатомита, модифицированного золем кремниевой кислоты. Показано, что структура модифицированного диатомита характеризуется порами диаметром от 75 до 150 нм, а немодифицированного диатомита - от 150 до 650 нм. Значение фрактальной размерности поверхностного фрактала немодифицированного диатомита составляет D = 2,52, а модифицированного диатомита D = 2,05.

Методом РФА, ДТА, оптической микроскопии установлено, что известково-

диатомитовые составы с применением диатомита, модифицированного золем

кремниевой кислоты, характеризуются большим количеством гидросиликатов

кальция, уменьшением портландита.

Установлено, что при применении в качестве отделочного слоя на основе

разработанного известково-диатомитового состава наблюдается смещение

нулевой изотермы в сторону пониженных температур на 4-9 мм в зависимости от

конструктивного решения ограждения, вида утеплителя и климатических

условий эксплуатации.

Практическая значимость. Разработан состав для наружной и внутренней

отделки стен зданий в виде сухой смеси, включающей гашеную известь,

5

диатомит, модифицированный золем кремниевой кислоты, кварцевый песок, пластификатор С-3 и редиспергируемый порошок №о1Ш1 Р7200 и позволяющий получить растворные смеси с водоудерживающей способностью 95-96%, временем высыхания до степени «5» 25-30 мин, жизнеспособностью 8-10 часов. Покрытия на основе предлагаемой ССС характеризуются коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/(м-°С), прочностью сцепления 0,6-0,9 МПа, прочностью при сжатии 3-4 МПа. Расход сухой смеси составляет 0,6-0,8 кг/м при толщине отделочного слоя 5мм.

Разработана технологическая схема производства сухой отделочной смеси и рассчитана технико-экономическая эффективность их применения. Разработан нормативный документ - проект стандарта организации СТО 3.003-2012 «Смеси сухие строительные», регламентирующий основные свойства разработанных составов.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО РСУ «Спецработ».

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 200500 «Метрология, стандартизация и сертификация», 270800.62 « Строительство» профилей 270800.62-05 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и доложены

на научно-практической конференции «У.М.Н.И.К.» (г. Пенза, 2011);

международной конференции «Теория и практика повышения эффективности

строительных материалов» (г. Пенза, 2012); международном форуме «Евразия» (г.

Екатеринбург, 2011); всероссийском конкурсе «Российским инновациям -

Российский капитал» (г. Нижний Новгород, 2012); всероссийском конкурсе

«Эврика» (г. Новочеркасск, 2011); молодёжной конференции в рамках

международного экономического форума (г. Астана, 2011); всероссийском

6

молодёжном форуме «Селигер» (г. Тверь, 2011); молодежном образовательном форуме «Инерка» (г. Саранск, 2012).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 15 научных публикациях, в том числе 9 статей в журналах, входящих в перечень ВАК. Получен патент РФ 2456255 «Состав для отделки» Бюл. № 20 Опубл. 20.07.2012

Достоверность результатов работы обеспечивается сопоставлением результатов экспериментальных исследований с производственным апробированием, статистической обработкой результатов экспериментальных исследований, проведением исследований на оборудовании, прошедшем метрологическую поверку.

На защиту выносятся:

1) составы и технология теплоизоляционных декоративных ССС для отделки стен зданий;

2) результаты исследований процессов структурообразования известковых теплоизоляционных декоративных ССС;

3) закономерности модификации диатомита золем кремниевой кислоты Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,

библиографического списка и приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 150 наименований, 2 приложений.

Автор выражает искреннюю признательность к.т.н., доценту О. В. Карповой, к.т.н. Давыдовой О. А. за советы и помощь по организации и проведению экспериментальных исследований.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Сухие теплоизоляционные строительные смеси

Ввиду увеличения стоимости топливно-энергетических ресурсов возникает необходимость повышать теплозащиту зданий [106, 121]. Одно из направлений решения задачи экономии энергоносителей - применение в строительстве новых эффективных теплоизоляционных строительных материалов [15]. Благодаря созданию, производству и рациональному их применению снижается материалоёмкость ограждающих конструкций зданий и сооружений, а также уменьшаются потери тепла в окружающую среду. Это снижает остроту проблем, возникших с переходом к новым нормам проектирования и строительства.

В настоящее время в коммунальном хозяйстве России, где расходуется до 20 % всех энергетических ресурсов страны, наблюдаются низкие темпы роста энергосбережения. А в странах Европы на единицу жилой площади расходуется в 2-3 раза меньше энергии. Жилые многоэтажные здания в России потребляют от 350 до 550 кВтч/м2 в год, индивидуальные дома коттеджного типа - от 600 до 800 кВтч/м2 в год. Усадебные дома в Германии потребляют в среднем по стране около 250 кВтч/м2 в год, в Швеции - 135 кВтч/м2 в год, а лучшие зарубежные их образцы потребляют от 90 до 120 кВтч/м2 в год.

Известно, что 1 м3 теплоизоляции обеспечивает экономию 1,4-1,6 тонны условного топлива в год. Использование современных теплоизоляционных материалов в энергосберегающем строительстве считается в 3-4 раза эффективнее традиционного строительства, которое требует энергоемкого производства строительных материалов, освоения новых месторождений топлива, его добычи, транспортировки, переработки и сжигания.

Одним из рациональных способов повышения теплозащиты эксплуатируемых зданий относится дополнительное наружное утепление их ограждающих конструкций за счет применения теплоизоляционного отделочного слоя [108]. В практике строительства при выполнении отделочных работ все большее применение находят ССС [4, 13].

Сейчас отечественный рынок сухих смесей стал одним из сегментов отрасли строительных материалов, развивающихся наиболее динамично. Ежегодно происходит увеличение объемов выпуска сухих строительных смесей на 40-50% [95, 109].

По оценкам специалистов, сегодня российский потребитель ежегодно с учетом импорта смесей использует около 2 млн т сухих смесей. Причем большую часть прироста рынка обеспечивают российские смеси [44, 55, 75]. Потенциальную же емкость рынка можно оценить в 3,5 млн т - это годовой оборот всех сухих строительных смесей, как модифицированных, так и простых строительных составов.

Среди наиболее крупных производителей сухих строительных смесей необходимо назвать следующие:

1) торговая марка "БОЛАРС" предприятия "Боларс" (Московская область, Воскресенский район), введеный в эксплуатацию в 2001 году высокотехнологичный завод которого оснащен оборудованием фирмой "Вселуг" и производит сухие строительные смеси, а также другую продукцию -всего более 38 наименований;

2) ООО "Вефт" (Московская область, г. Королев), представляющее строительную продукцию под торговой маркой "Монолит»;

3) ЗАО "Глимс Продакшн" (г. Москва), с 1995 года выпускающее уникальные фасадные, выравнивающие шпатлевки, гидроизолирующие цементные смеси, полимерные жидкости и наливные полы на минеральной основе торговой марки «Глимс»;

4) ЗАО "ЕК Кемикал" (г. Нижний Новгород), выпускающее 36 тыс. тонн в год продукции под торговой маркой "ЕК";

5) ЗАО ПП "Крепе" (г. Санкт-Петербург), торговая марка "КРЕПС" с объемом производства 30 тыс. тонн в год;

6) ООО "Старатели" (Московская область), с 1992 года специализирующаяся на производстве стройматериалов для отделки двух групп

(сухие смеси и лакокрасочные материалы), производя также плиточные клеи, самонивелирующиеся полы и затирки для плиточных швов;

7) ООО "Юнистром-Трейдинг" (г. Москва) более 8 лет представляет торговую марку "Юнис" на рынке сухих отделочных строительных материалов; среди продукции компании: клеи для плитки, шпатлевочные и штукатурные смеси, материалы для устройства полов, затирка для швов между керамическими плитками, грунтовка для внутренних работ;

8) предприятие MC-Bauchemie Russia, созданное в 2001 году на основе группы компаний из России "ОТЛИ" (Россия) и германского концерна MC-Bauchemie, объем производства которого составляет более 100 тыс. т в год, представляет торговую марку "Плитонит", насчитывающую более 30 наименований;

9) предприятия группы «КНАУФ», включающей 13 производственных предприятий на территории России (в Астраханской, Московской, Нижегородской областях, Краснодарском крае, Санкт-Петербурге и Челябинске), основную продукцию которых составляют гипсокартонные и гипсоволокнистые листы, гипсовые пазогребневые плиты, металлические профили, изделия строительной керамики, пенополистирольные плиты, сухие строительные и клеевые смеси на гипсовой и цементной основе, а также смеси для наливного пола, заполнители швов, грунтовки, герметики, мастики.

Ежегодно в Росси потребляется около 200 тыс. тонн импортных сухих строительных смесей, причем в последнее время импортирование наиболее популярных сухих строительных смесей марки «Бетонит» финской фирмы «Optiroc» остается стабильным и составляет 120-130 тыс. тонн в год.

Также на российском рынке предлагаются ССС фирм из Польши («Atlas», «Sopro») и Германии («Henkel», «Pufas»), производящих достаточно широкий спектр продукции для внутренней и внешней отделки зданий.

Использование сухих смесей в развитых западных странах составляет до

50% от общего объема выпуска растворов, поэтому можно прогнозировать

дальнейший рост производства сухих смесей. При этом, несомненно, будет

10

развиваться наметившаяся тенденция повсеместного замещения импорта национальной продукцией. Однако отечественным производителям сухих строительных смесей необходимо не только увеличивать объемы производства, но и улучшать качество выпускаемой продукции, расширять его ассортимент и повышать эффективность использования модифицирующих добавок в составах строительных смесей.

Теплоизоляционные сухие строительные смеси, появившиеся 12-13 лет назад, не только уменьшают энергопотребление при отоплении, но и снижают себестоимость строительства за счет сокращения использования бетона, древесины и кирпича [8, 71, 103]. Применение данных ССС возможно как �