автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Теплоизоляционный пенобетон на модифицированных минеральных вяжущих с ускоренным твердением

На правах рукописи

00501669а

Кардашевский Альберт Гаврильевйч

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПЕНОБЕТОН НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ С УСКОРЕННЫМ ТВЕРДЕНИЕМ

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МАП 2012

Новосибирск 2012

005016699

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Местников Алексей Егорович

Бердов Геннадий Ильич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО НГАСУ (Сибстрин), профессор кафедры химии

Ведущая организация -

Прокопец Валерий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО СибАДИ, зав. кафедрой строительных материалов и специальных технологий

Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, г. Якутск

Защита состоится «29» мая 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.02 при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу: 630008, г. Новосибирск, 8, ул. Ленинградская, 113, ауд. 239, E-mail: sovet@sibstrin.ru. тел./факс: (383) 266-55-05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, -—

доктор технических наук, профессор —с?*^-*/—А.Ф. Бернацкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Неавтоклавный пенобетон относится к числу прогрессивных и перспективных строительных материалов. Применение изделий и монолитного материала из пенобетона позволяет снизить материалоемкость, трудоемкость и стоимость строительства. Однако в северном строительстве знергоэффективные материалы из пенобетона в настоящее время не находят широкого применения. Для достижения достаточной прочности стеновые блоки из пенобетона выпускаются с повышенной плотностью порядка 900-1000 кг/м3, вследствие этого они характеризуются высоким коэффициентом теплопроводности и соответственно низкой эиергоэффективностыо.

Дня суровых климатических условий Севера одним из путей решения задачи обеспечения современных норм по тепловой защите зданий может быть создание комбинированных стеновых конструкций с использованием в качестве теплоизоляционного слоя неавтоклавных пе-нобстонов.

К числу недостатков теплоизоляционных неавтоклавных пенобето-нов, как обычно, относятся недостаточная прочность, высокие усадочные деформации и низкая трещиностойкость. К ним следует добавить и ряд технологических параметров таких, как значительная продолжительность твердения и низкое тепловыделение при твердении пеноце-мектных смесей, увеличивающие сроки выполнения теплоизоляционных работ при температурах окружающего воздуха ниже Н0°С, что для Якутии составляет 9 и более месяцев в год (например, в пос. Тикси на берегу Северного Ледовитого океана).

В условиях Севера со сложной транспортной схемой, дальними расстояниями между населенными пунктами и промышленными центрами наиболее актуальным направлением представляется разработка и рациональное применение теплоизоляционных пенобетонов на основе широко распространенных цементных и гипсовых вяжущих веществ в различных модификациях с повышенной реакционной способностью и небольшим количеством активной минеральной добавки природного происхождения, что не требует больших капитальных вложений и значительного повышения себестоимости конечной качественной продукции.

Цель работы - обоснование и разработка составов теплоизоляционных пенобетонов на основе модифицированных минеральных вяжущих с ускоренным твердением.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- исследование состава, структуры и свойств исходного сырья для оптимизации процесса структурообразования и свойств теплоизоляционных пенобетонов;

- исследование влияния состава на свойства быстротвердеющих вяжущих веществ на основе цемента, гипса и горелой породы;

- разработка составов теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения с ускоренными процессами схватывания и структурообразования;

- апробация и практическая реализация разработанных составов теплоизоляционного пенобетона в производстве.

Работы выполнялись в рамках Тематического плана НИР СВФУ (ЯГУ) на 2006-2011 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (№ гос. per. 01200805229), республиканской научно-технической программы «Проблемы строительного комплекса на Севере», гранта по федеральной программе «Старт-2007» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (заявка № 07-7-Н3.8-0043, проект № 7378).

Научная новизна работы состоит в том, что в ней разработаны научные и технологические основы регулирования процессов структурообразования применительно к теплоизоляционным пенобетонам, обеспечивающие повышение эффективности их производства с формированием оптимальной структуры применением минерального сырья с ускоренным твердением. При этом получены следующие новые положения строительного материаловедения:

1. Для ускорения твердения пенобетона на основе портландцемента, что необходимо при проведении строительных работ в условиях отрицательных температур, может быть использовано введение в его состав комплексной добавки, состоящей из гипса и горелой породы. При этом сроки начала схватывания могут быть изменены в пределах 25-60 мин, конца схватывания - 40-140 мин. Прочность цементного камня после 28 суток твердения в нормальных условиях составила 15-17 МПа, обеспечивается эффект расширения до 0,7 %.

2. При увеличении содержания горелой породы в составе комплексной добавки увеличиваются сроки начала и конца схватывания, повышается прочность пенобетона и его расширение при твердении. Оптимальное содержание горелой породы в добавке составляет 45-60%

мае. Оптимальное содержание этой добавки в полученном вяжущем равно 10% мае.

3. У безусадочных теплоизоляционных пенобетонов марки БЗОО и 0500, получаемых на оборудовании СОВБИ, максимальная прочность при сжатии 0,43 и 0,51 МПа соответственно достигается при использовании вяжущего, содержащего 90% цемента, 5,5% гипса и 4,5% горелой породы. Это позволяет ускорить процесс твердения пенобетонной смеси в 2-3 раза и обеспечить высокое качество теплоизоляционного слоя несъемной опалубки ограждающих конструкций.

4. Введение добавки, состоящей из портландцемента М400 и тонкомолотой горелой породы с удельной поверхностью 350 м2/кг, в состав композиционного гипсового вяжущего (КГБ) позволяет регулировать сроки начала и конца схватывания теста, повысить значения прочности и водостойкости. Максимальной прочностью (20,5-21,0 МПа) обладают составы КГБ, содержащие 50 % добавки, в состав которой входит 40 % горелой породы.

5. У теплоизоляционного пеногипсобетона марки Ш00, получаемого способом баросмешивания, наиболее высокая прочность (0,6 МПа) достигается тогда, когда комплексная добавка составляет 10-30% мае. в составе вяжущего, причем количество горелой породы составляет 40% мае. добавки. Объемное расширение пеногипсобетона происходит равномерно и стабилизируется уже к 7 суткам твердения и составляет 0-0,5%, что позволяет отнести полученный пеногипсобетон к безусадочным ячеистым бетонам.

Достоверность полученных результатов обеспечена комплексными экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием математического планирования эксперимента, современных физико-механических, теплофизических и физико-химических методов испытания, широкой проверкой их результатов в условиях производства, практическим подтверждением эффективности производства и применения разработанного теплоизоляционного пенобетона на основе модифицированных минеральных вяжущих в жилищном строительстве.

Практическая значимость работы.

1. Предложены составы теплоизоляционных пенобетонов марок 0300-0500 с использованием модифицированных минеральных вяжущих веществ на основе цемента, гипса и тонкомолотой горелой породы.

2. Определены технологические режимы производства теплоизоляционных пенобетонов и их укладки в несъемную опалубку стеновых

ограждений в монолитно-каркасном и индивидуальном строительстве энергоэффективных жилых зданий.

3. Разработан технологический регламент производства монолитного теплоизоляционного пенобетона предложенного состава.

Разработанные составы и технология внедрены при строительстве 5-этажного здания Молодежного жилого комплекса «Юность-2010» и каменных коттеджей в г. Якутске, ряда индивидуальных энергоэффективных домов в сельской местности РС(Я).

Научно-техническая новизна предложенных решений подтверждены получением двух патентов Российской Федерации № 2361985 (изобретение) и № 84035 (полезная модель).

Результаты экспериментальных исследований и опытно-производственного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106, что отражено в учебных программах и УМКД специальных дисциплин «Технология ячеистых бетонов» и «Технология изделий из местного сырья».

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: Белгород, 2007; Якутск, 2008-2011; Новосибирск, 2008, 2009 и 2011; Москва, 2009; Нерюнгри, 2010; Орел, 2011.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных статьях, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также в 2-х патентах Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 129 наименований, содержит 163 страницы машинописного текста и включает 42 таблицы, 58 рисунков и приложения.

На защиту выносятся:

- особенности управления процессом структурообразования и свойствами теплоизоляционных пенобетонов за счет повышения реакционной способности пенобетонной смеси путем подбора оптимального состава вяжущих веществ на основе цемента, гипса и тонкомолотой горелой породы;

- состав и свойства теплоизоляционных пенобетонов на основе бы-стротвердеющего портландцемента, модифицированного введением комплексной добавки на основе гипса и горелой породы;

- состав и свойства теплоизоляционных пенобетонов на основе композиционного гипсового вяжущего с комплексной добавкой на основе портландцемента и горелой породы;

- технологические режимы производства теплоизоляционных пе-нобетонов и их укладки в несъемную опалубку стеновых ограждений в монолитно-каркасном и индивидуальном строительстве энергоэффективных жилых зданий;

- результаты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, показаны научная новизна и практическая значимость работы. Отмечены особенности построения текста диссертации.

В первой главе (Состояние и перспективы развития производства и применения неавтоклавных ячеистых бетонов) проведен системный анализ и обобщение литературных источников по вопросам производства ячеистых бетонов, в частности, теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения, применяемых в качестве теплоизоляционного слоя в ограждающих конструкциях зданий.

Установлено, что в зарубежной и отечественной практике наблюдается тенденция более широкого применения пенобетона по сравнению с газобетоном неавтоклавного твердения. При этом технология производства теплоизоляционных неавтоклавных пенобетонов не претерпела существенного изменения. Научные исследования в этой области направлены на создание новых видов синтетических и белковых пенообразователей, новых многокомпонентных составов с различными минеральными и химическим добавками, а также на создание сухих смесей для производства пенобетона с использованием методов механохими-ческой активации сырья и др. Однако результаты таких исследований не всегда могут быть приемлемыми для строительства в отдаленных, особенно северных районах, удаленных от промышленных центров. Поэтому актуальным вопросом для каждого региона становится разработка оптимальных составов теплоизоляционных пенобетонов в зависимости от наличия исходных компонентов и сырьевых ресурсов с учетом их технико-экономической эффективности.

На основе анализа литературного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе (Методика исследования, исходные материалы и оборудование) рассмотрены методы исследований, характеристики используемых сырьевых материалов и оборудования.

В качестве основного компонента активированной вяжущей смеси для получения теплоизоляционных пенобетонов в работе использованы горелые породы, характеризующиеся следующим химическим соста-

BOM, % масс.: Si02 - 65,05; ТЮ2 - 0,70; AI203 - 16,62; Fe203 - 6,06; FeO - < 0,25; MnO - 0,07; MgO - 1,80; CaO - 2,45; K20 - 2,52; Na20 - 3,16; P205 - 0,18; S03 - 0,65; C02 - < 0,20; п.п.п - 0,28. Молотая добавка горелой породы с удельной поверхностью (S уд) равна 350-400 м2/кг. Твердение вяжущих на основе горелых пород следует рассматривать как процессы, происходящие в полиминеральной системе А1203 - СаО -Si02-Fe203-H20.

В экспериментах использовался портландцемент ОАО «Якутце-мент» М400, а также - гипсовое вяжущее вещество (ГВВ), изготовленное из гипсового камня Олёкминского и Даппарайского месторождений. Содержание в гипсовом камне CaS04 -2Н20 составляет: Олёкминского месторождения - 80,80 % (III сорт); Даппарайского - 93,96 % (I сорт).

В качестве порообразователя использованы синтетический пенообразователь марки ПБ-2000 (Россия) и пенообразователь белкового происхождения «FOAMSEM» (Италия).

В работе использовались стандартные методы определения физико-механических свойств вяжущих веществ и бетонов с применением современных методик и оборудования: РФА и ДТА полученных материалов проведены на рентгеновском спектрометре SRS-3400 и дифрак-тометре D8 Discover with GADDS для фазового анализа; исследование теплопроводности проведено на приборе HFM 436 Lambda на образцах с размерами 300x300x100(300) мм. Также использовано математическое планирование эксперимента. Многофакторные полиномиальные модели позволяют решить инженерные задачи в материаловедении и технологии.

В третьей главе (Создание теплоизоляционных пенобетонов на основе быстротвердеющего портландцемента) приведены результаты экспериментальных исследований составов и свойств теплоизоляционных пенобетонов на основе быстротвердеющего портландцемента, модифицированного введением комплексной добавки на основе гипса и горелой породы.

В цеховых условиях установлено, что качественные пенобетонные изделия, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 5742 «Изделия из ячеистых бетонов теплоизоляционные» и ГОСТ 21520 «Блоки из ячеистых бетонов стеновые мелкие», можно получить только при достаточно высоких энергозатратах. Для повышения производительности и уменьшения энергозатрат, при сохранении высокого качества выпускаемой про-

дукции, необходимо было сократить сроки схватывания и твердения исходной смеси для получения теплоизоляционных пенобетонов.

Для решения поставленной задачи была проведена оптимизация состава портландцемента, модифицированного введением комплексной добавки на основе гипса и горелой породы (портландцемент быстрот-вердеющий ПЦ-Б). Были приняты следующие переменные факторы: X] - содержание добавки в цементе, %; Х2 - содержание горелой породы в добавке, %.

При обработке результатов эксперимента была использована программа, составленная в формате Excel 2003 и получены уравнения регрессии. На основании этих уравнений и экспериментальных данных построены графики зависимости и поверхности отклика параметров оптимизации от наиболее значимых переменных. Повышение содержания комплексной добавки способствует увеличению нормальной густоты до 25,5 %, что объясняется повышенным содержанием ГВВ. Это же объясняет то, что при увеличении расхода горелой породы нормальная густота ПЦ-Б уменьшается до 21,5 %.

Ускорение схватывания теста проявляется при уменьшении содержания горелой породы в комплексной добавке, что соответствует повышенному содержанию ГВВ в составе вяжущего. Следует также отметить, что на сроки схватывания вяжущего практически не влияет изменение расхода самой комплексной добавки. При этом начало схватывания можно регулировать в пределах 25.. .60 мин, а конец схватывания -40... 140 мин.

Оптимальные составы ПЦ-Б имеют значения прочности при сжатии через 28 сут. твердения в нормальных условиях в пределах 15... 17 МПа и линейное расширение до 0,7 %, содержащие в своем составе 10 % комплексной добавки, при одновременном содержании горелой породы в ней в пределах 50.. .60 % по массе.

Проводилось проектирование составов и исследование пенобетонов марки D300 и D500 на основе разработанных быстротвердеющих цементов. По полученным результатам были построены графики зависимости предела прочности пенобетона от состава разработанного вяжущего (рис. 1). Анализ полученных графиков показал, что наивысшая прочность на сжатие достигнута при использовании состава ПЦ-Б 10/45 в обоих случаях, т.е. при расходе портландцемента 90 %, горелой породы 4,5 % и гипсового вяжущего 5,5 % в общей массе композиционного вяжущего. При этом значительно сокращаются сроки схватывания и твердения пенобетонной смеси, повышаются прочностные харакгери-

стики (на 10%) по сравнению с пенобетоном на обычном портландцементе марки ПЦ 400-Д0 (табл. 1). По результатам испытаний образцов на воздушную усадку в стендовых и натурных условиях полученный пенобетон относится к безусадочным ячеистым бетонам.

§0.25

Копичотаа добавит "ЦБ %

Рис. 1 - Зависимость предела прочности при сжатии пенобетонных образцов О 300 (28 суток) и Э500 (14 суток) от состава быстротвердеющего портландцемента ПЦ-Б

Таблица 1 - Сравнительная характеристика теплоизоляционного

Теплоизоляционный пенобетон Состав, мае. % Продолжительность, ч Средняя прочность на сжатие, МПа

ПЦ гипс горелая порода начало схватывания конец схватывания

на ПЦ 400-Д0 100 - - >0,75-1,75 4,5-6 0,51

на ПЦ-Б 90 5,5 4,5 0,5 1,25 0,56

В четвертой главе (Создание теплоизоляционных пенобетонов на основе композиционных гипсовых вяжущих) приведены результаты экспериментальных исследований составов и свойств теплоизоляционных пенобетонов на основе композиционного гипсового вяжущего с гидравлической добавкой на основе портландцемента и горелой породы.

Используя математическое планирование эксперимента, получены уравнения регрессии, на основании которых построены графики зависимости основных свойств КГВ от расхода компонентов (рис.2-3).

Количество добавки в КГВ, %

Рис. 2 - Зависимость сроков схватывания теста из КГВ на основе Г-6 от количества гидравлической добавки и горелой породы

Рис.3 - Зависимость предела прочности при сжатии образцов в возрасте 2 часа и 28 сут. от количества гидравлической добавки в составе КГБ на основе Г-б и от количества горелой породы

Оптимальный состав КГБ маркой по прочности М200 с применением горелой породы, просеянной через сито №008 (с удельной поверхностью 350 м2/кг), имеет начало и конец схватывания 7 и 7,5 мин, соответственно, предел прочности при сжатии через 2 час. после затво-рения водой 4 МПа, через 28 сут. - 20,5 МПа и коэффициент размягчения 0,75.

Для подтверждения фазового состава пенобетонных образцов на

ПЦ-Б являются низкоосновные гидросиликаты кальция CSH(B) (d/n =

11

9,91; 7,59; 4,96; 3,79; 3,01; 2,67; 2,21; 2,07; 1,89; 1,63-10 10 м) и двувод-ный гипс Са804-2Н20 (с1/п = 7,59; 4,28; 3,06; 2,87-10 10 м).

Для КГВ (рис.5) основным цементирующим веществом исследуемых образцов является двуводный гипс Са804-2Н20 (с!/п = 7,59; 4,28; 3,79; 3,06; 2,87-Ю~10 м).

Рис. 5 - Рентгенсн-рамма образцов на КГВ (2 года)

Рентгенограммы образцов из обеих вяжущих содержат линии высокоосновной формы гидросульфоалюмината кальция - эттрингита ЗСа0 А1203-ЗСа804-32Н20 (с1/п = 9,71; 5,60; 4,96; 4,69; 3,87; 2,78; 2,59; 2,22; 1,66-10" м), низкоосновных гидросиликатов кальция С8Н(В) (с!/п = 12,52; 9,91; 4,90; 3,07; 2,80; 1,83-Ю10 м), карбонат кальция СаС03 (с1/п=3,00; 2,49; 2,28; 2,08; 1,91; 1,87-10"10 м), кремнезема БЮг (с1/п=4,26; 3,34; 2,14; 1,99; 1,81; 1,53-Ю"10 м).

Рис. 6. Микроструктурные особенности межпоровой перегородки пенобетона от состава: слева - на портландцементе, справа - на модифицированном портландцементе

Электронные микроснимки показывают, что повышение прочностных характеристик пенобетона связаны с уменьшением пористости межпоровых перегородок и отсутствием усадочных деформаций (рис. 6).

В пятой главе (Апробация и практическая реализация разработанных составов теплоизоляционного пенобетона в производстве) приведены результаты опытно-производственных испытаний в экспериментальном строительстве. Разработаны и внедрены конструкции и технология возведения стеновых ограждений энергоэффективных жилых зданий в монолитно-каркасном и индивидуальном строительстве с применением предложенных составов пенобетона (табл. 2). Технические и технологические решения создания новых конструкций и составов пенобетона защищены 2-мя патентами РФ.

Таблица 2 - Расход компонентов на 1 м3 пенобетонной смеси на модифицированных вяжущих

Название В сухом состоянии, % по массе / кг Вода, л Пена, мл

Портландцемент марки ПЦ-400-Д0 Гипс (ГВВ) Горелая порода

ПЦ-Б 90/230 5,50/14,03 4,50/1,47 123-127 830

КГБ* 6,0/18 90/230 4,0/12 123-127 830

Примечание: * - рекомендуется только для ремонтно-восстановительных работ

За 2 года работы по строительству объекта «Молодежно-семейный жилой комплекс «Юность» было выполнено работ с использованием теплоизоляционного пенобетона общим объемом 184,9 м3, из них 32 м3 - с использованием ПЦ-Б. При этом стоимость 1 м3 теплоизоляционного пенобетона на основе ПЦ-Б составила 3300 рублей.

Объем работ по созданию теплоизоляционного слоя из пенобетона на ПЦ-Б в стеновых конструкциях индивидуального дома в с. Аппаны Намского района РС (Я) составил 29 м3. Фактическая стоимость 1 м3 теплоизоляционного пенобетона, уложенного в несъемную опалубку стенового ограждения индивидуального дома, составила 3500 руб. Как показывают расчеты, 1 м2 построенного дома с общей площадью в 98 м2 не превышает 25000 рублей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология производства монолитного теплоизоляционного пенобетона с использованием модифицированного портландцемента ПЦ-Б путем введения в портландцемент комплексной добавки на основе гипса и тонкомолотой горелой породы, что позволяет в ре-

альных условиях строительства ускорить производство работ по устройству монолитной теплоизоляции из пенобетона в 2-3 раза.

2. Введение 10 % комплексной добавки на основе гипса и тонкомолотой горелой породы в портландцемент позволяет регулировать начало схватывания в пределах 25-60 мин, а конец схватывания - 40-140 мин., при этом наиболее высокие значения прочности при сжатии (28 сут.) цементного теста достигаются в пределах 15-17 МПа с расширяющим эффектом до 0,7 %.

3. Для безусадочных теплоизоляционных пенобетонов марки Б300 и Б500, получаемых на оборудовании СОВБИ, максимальная прочность при сжатии 0,43 и 0,51 МПа соответственно (на 100%-ом цементе - 0,35 и 0,43 МПа соответственно) достигается при использовании исходного состава, содержащего 90% цемента, 5,5% гипса и 4,5% горелой породы в общей массе сухой смеси, что позволяет ускорить процесс твердения пенобетонной смеси в 2-3 раза и обеспечить высокое качество теплоизоляционного слоя несъемной опалубки ограждающих конструкций (патент РФ 2361985);

4. Установлена принципиальная возможность получения теплоизоляционного пенобетона марки по средней плотности Б400, предназначенного преимущественно для проведения ремонтно-восстановительных работ по устранению дефектов теплоизоляции в небольших объемах, на основе композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) с добавкой из портландцемента и тонкомолотой горелой породы.

5. Введение добавки, состоящей из портландцемента М400 и тонкомолотой горелой породы с удельной поверхностью 350 м2/кг, в состав КГВ позволяет регулировать сроки начала и конца схватывания теста (7 и 7,5 мин соответственно), значения прочности и водостойкости (коэффициент размягчения 0,75), при этом максимальной прочностью обладают составы КГВ, содержащие 10 и 50 % добавки, в состав которой входит 10 и 40 % горелой породы, со значениями прочности на сжатие 21,0 и 20,5 МПа соответственно.

6. Для теплоизоляционного пеногипсобетона марки 13400, получаемого способом баросмешивания, наиболее высокий показатель прочности 0,6 МПа достигается в том случае, когда добавка составляет 10 и 30% масс, в КГВ, причем количество горелой породы составляет 40% масс, добавки, при этом объемное расширение пеногипсобетона происходит равномерно и стабилизируется уже к 7 суткам твердения и составляет 0% и 0,5% соответственно, что позволяет отнести полученный пеногипсобетон к безусадочным ячеистым бетонам.

7. Предложены технологические приемы производства теплоизоляционных пенобетонов и их укладки в несъемную опалубку стеновых ограждений в монолитно-каркасном и индивидуальном строительстве энергоэффективных жилых зданий, что позволяет снизить усадку пенобетона и повысить его трещиностойкость. При этом установлено, что тепловизионный метод обследования ограждающих конструкций не только позволяет определять дефектные участки теплоизоляции и эффективность тепловой защиты, но и подобрать технологические приемы. и способы их устранения в последующем ремонте и новом строительстве.

8. Разработан технологический регламент производства монолитного теплоизоляционного пенобетона, который устанавливает технологические параметры производства неавтоклавных пенобетонов и требования к ним, содержит требования к исходным сырьевым материалам, ихсподготовке, составам пенобетонных смесей и режимам их приготовления, формования и твердения.

9. Разработаны и внедрены технология возведения (патент РФ № 2361985) и конструкции стеновых ограждений (патент РФ № 84035) в монолитно-каркасных и индивидуальном строительстве, позволяющие снизить себестоимость и ускорить сроки строительства, повысить энергоэффективность зданий, эксплуатируемых в условиях холодного климата Якутии, при высоком качестве выполнения строительно-монтажных работ. Общий объем пенобетона при строительстве Молодежно-семейного общежития составил 184,9 м , из них объем модифицированного пенобетона составил 32 м3. Общий объем разработанного пенобетона в строительстве экспериментального индивидуального дома составил 29 м3.

10. Фактическая стоимость производства 1 м3 теплоизоляционного пенобетона в экспериментальном строительстве 2008-2011 гг. составила менее 3500 руб., причем стоимость 1 м2 общей площади полностью благоустроенного индивидуального жилого дома составила в 2011 г. менее 25000 рубУм2 по сравнению с 42000 руб./м2 на рынке недвижимости жилых помещений с «черновой» отделкой в условиях г. Якутска.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Местников А.Е. Материалы и конструкции многослойных стеновых ограждений / А.Е. Местников, А.Г. Кардашевский, В.Н. Рожин // Вестник МГСУ: научно-технический журнал, период, издание. - Москва, Изд-во МГСУ, 2009. - Спец. выпуск, № 3. - С. 125-128.

15

2. Местников А.Е. Технология возведения энергоэффективных стеновых конструкций жилых зданий на Севере / А.Е. Местников, А.Д. Егорова, А.Г. Кардашевский // Строительные материалы. - 2009. - № 4. -С. 118-120.

3. Кардашевский А.Г. Теплоизоляционные пенобетоны на основе композиционных гипсовых вяжущих / А.Г. Кардашевский, А.Д. Егорова // Промышленное и гражданское строительство. - 2012. - № 1. - С. 38-40.

4. Кардашевский А. Г. Монолитный пенобетон в индивидуальном строительстве / А.Г. Кардашевский, В.Н. Рожин, А.Е. Местников /7 Промышленное и гражданское строительство. - 2012. - № 1. - С. 41 -43.

Патенты РФ

5. Патент на изобретение РФ №2361985, МПК E04F 19/06.Способ теплоизоляции и облицовки стен плитками / А.Е. Местников, А.Д. Егорова, А.Г. Кардашевский и др. - X« 2007139613/03; заявл. 26.10.2007; опубл. 20.07.2009. - Бюл. № 20.

6. Патент на полезную модель РФ №84035, МПК Е04С1/40. Строительный стеновой блок / А.Е. Местников, А.Д. Егорова, А.Г. Кардашевский, П.И. Кушкирин, А.Е. Шестаков. - № 2008123367/22; заяв. 09.06.2008; опубл. 27.06.2009. - Бюл. № 18.

Публикации в других изданиях

7. Местников А.Е. Эффективность производства и применения пено-бетонов в северном строительстве / А.Е. Местников, А.Г. Кардашевский // Научные исследования, ианосистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (XVIII научные чтения): Междунар. на-учно-практ. конф., Белгород, 18-19 сентября 2007 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2007.-Ч. 1.-С. 182-184.

8. Местников А.Е. Теплоизоляционный пенобетон в монолитно-каркасном строительстве /' А.Е. Местников, А.Д. Егорова, А.Г. Кардашевский // Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение: I Всеросс. научно-практ. конф., г. Якутск, 28 марта 2008 г. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2008. - С. 69-73.

9. Местников А.Е. Технологические и конструктивные решения в повышении энергоэффективности стеновых изделий л конструкций / А.Е. Местников, А.Г. Кардашевский, В.Н. Рожин // Современные проблемы производства и использования композиционных строительных материалов: Всеросс. научно-техн. конф. НГАСУ (Сибстрин). - Новосибирск: Изд-во НГАСУ, 2009. - С. 196-199.

10'.Кардашевский А.Г. Монолитный пенобетон в каркасном строительстве / А.Г. Кардашевский // Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях: междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи, Якутск, 16-19 ноября 2009 г. / [редколл.: С.А. Слепцова и др.; науч. ред.: A.A. Охлопкова, А.Е. Местников]. - Якутск: Изд-во Паблиш Групп, 2009. - С. 72-74.

Iii Местников А.Е. Энергоэффективные стеновые материалы и конструкции для условий холодного климата / А.Е. Местников, А.Г. Кардашевский, В.Н. Рожин // Применение природосберегающих технологий в условиях холодных регионов: IX Международный симпозиум по развитию холодных регионов, Якутск, 1-5 июня 2010 г. - Якутск: ISCORD, 2010:-С. 54.

121 Кардашевский А.Г. Совершенствование свойств теплоизоляционного пенобетона для зимнего бетонирования / А.Г. Кардашевский // XI Всероссийская научно-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. - Нерюнгри: Изд-во ТИ (ф) ЯГУ, 2010. - С. 131-133. 13? Местников А.Е. Монолитный пенобетон на композиционных вяжущих для строительства на Севере / А.Е. Местников, А.Г. Кардашевский-, С.С. Семенов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Междунар. научно-практ. конф., Белгород, сентябрь, 2010 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. - С. 162-165.

14': Кардашевский А.Г. Способы повышения энергоэффективности индивидуальных домов / А.Г. Кардашевский, В.Н. Рожин, А.Е. Местников; II Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение: II Всероссийская научно-практ. конф., Якутск, 23-25 ноября 2011 г. / Под ред. Т.А. Корнилова, Г.П. Афонской, И.А. Докторова. - Якутск: Изд-й дом СВФУ, 2011:-С. 154-158.

15" Кардашевский А.Г. Монолитный пенобетон в деревянно-каркасном строительстве / Кардашевский А.Г. // Материалы Всероссийской конференции научной молодежи «ЭРЭЛ-2011». — Якутск: Изд-во ООО «ЦумориПресс», 2011.-Том 1.-С.90-91.

1 б. Кардашевский А.Г. Строительство энергоэффективных домов в сельских условиях / Кардашевский А.Г., Местников А.Е. // Вестник строительства и архитектуры: Сборник научных трудов VIII Междунар. научно-практ. конф. «Инновационный путь развития строительства и архитектуры в агропромышленном комплексе России». - Орел: Орел-ГАУ, 2011. - С. 104-108.

Подписано в печать 19.04.12. Формат 60x84/16. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Печ.л. 1,12. Уч.-изд.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 89 . Издательский дом Северо-Восточного федерального университета, 677891, г. Якутск, ул. Петровского, 5

Отпечатано в типографии Издательского дома СВФУ

61 12 5/2759 |

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПЕНОБЕТОН НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ С УСКОРЕННЫМ ТВЕРДЕНИЕМ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Местников Алексей Егорович

Якутск 2012

Содержание

Введение 3

1 Состояние и перспективы развития производства и применения неавтоклавных ячеистых бетонов (аналитический обзор) 9

1.1 Неавтоклавные ячеистые бетоны 10

1.2 Неавтоклавные пенобетоны 13

1.3 Опыт применения теплоизоляционного пенобетона в строительстве 15

1.4 Выводы по главе 1. Постановка цели и задачи исследования 30

2 Методика исследования, материалы и оборудование 35

2.1 Методика исследования 36

2.2 Исходное сырье для производства пенобетона 39

2.3 Технология и оборудование для производства пенобетона 44

3 Создание теплоизоляционных пенобетонов на основе быстротвер-деющего портландцемента 47

3.1 Предпосылки для создания теплоизоляционных пенобетонов на основе местного сырья Якутии 47

3.2 Оптимизация состава портландцемента, модифицированного введением комплексной добавки на основе гипса и горелой породы 53

3.3 Теплоизоляционные пенобетоны марки БЗОО и Б500 на основе быстрот-вердеющего портландцемента ПЦ-Б 65

3.4 Стендовые испытания процессов структурообразования и свойств пенобетонов на основе модифицированного портландцемента ПЦ-Б 75

3.5 Выводы по главе 3 82

4 Создание теплоизоляционных пенобетонов на основе композиционных гипсовых вяжущих 84

4.1 Оптимизация состава композиционного гипсового вяжущего

с применением портландцемента и горелых пород 84

4.2 Теплоизоляционный пенобетон марки Б400 на основе композиционного гийсового вяжущего 101

4.3 Выводы по главе 4 112

5 Апробация и практическая реализация разработанных составов теплоизоляционного пенобетона в строительстве 114

5.1 Теплоизоляционный пенобетон в монолитно-каркасном строительстве 116

5.2 Теплоизоляционный пенобетон в строительстве энергоэффективных индивидуальных домов 124

5.3 Разработка технологического регламента производства монолитного теплоизоляционного пенобетона БЗОО в условиях строительной площадки 131

5.4 Технико-экономические показатели производства теплоизоляционного пенобетона БЗОО 137

5.4.1 Оценка эффективности применения теплоизоляционного пенобетона в строительстве с использованием тепловизионного контроля 137

5.4.2 Расчет себестоимости производства теплоизоляционного пенобетона 144

5.5 Выводы по главе 5 147 Основные результаты и выводы 148 Список использованной литературы 151 Приложения 164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Неавтоклавный пенобетон относится к числу прогрессивных и перспективных строительных материалов, применение которых в жилищном и гражданском строительстве Российской Федерации все более расширяется. Применение изделий и монолитного материала из пенобетона позволяет снизить материалоемкость, трудоемкость и стоимость строительства. Однако в северном строительстве энергоэффективные материалы из пенобетона в настоящее время не находят широкого применения. Для достижения достаточной прочности стеновые блоки из пенобетона выпускаются с повышенной плотностью порядка 900-1000 кг/м3, вследствие этого они характеризуются высоким коэффициентом теплопроводности и соответственно низкой энергоэффективностью.

Для суровых климатических условий Севера наиболее приемлемым вариантом являются слоистые конструкции стеновых ограждений, где в качестве теплоизоляционного материала используются минераловатные и пено-полистирольные плиты. На наш взгляд, одним из путей решения задачи обеспечения современных норм по тепловой защите зданий может быть создание комбинированных стеновых конструкций с использованием в качестве теплоизоляционного слоя неавтоклавных пенобетонов.

К числу недостатков теплоизоляционных неавтоклавных пенобетонов, как обычно, относятся недостаточная прочность, высокие усадочные деформации и низкая трещиностойкость. К ним следует добавить и ряд технологических параметров, таких как значительная продолжительность твердения и низкое тепловыделение при твердении пеноцементных смесей, увеличивающие сроки выполнения теплоизоляционных работ при температурах окружающего воздуха ниже +10°С и не обеспечивающие возможность получения качественного пенобетона при отрицательных температурах. Последние обстоятельства явно не играют в пользу теплоизоляционных пенобетонов, производимых в условиях строительной площадки, так как продолжительность

холодного (отопительного, ниже +10°С) периода в Якутии составляет 9 и более месяцев в год, а в некоторых поселениях все 12 месяцев в год (например, в пос. Тикси на берегу Северного Ледовитого океана).

В последние годы основное внимание специалистов сосредоточено на подборе многокомпонентных составов пенобетонных смесей с использованием различных минеральных и химических добавок, создании сухих строительных смесей, поиске новых пенообразователей, в том числе пенообразователей в сухом состоянии с различными стабилизаторами и др. В условиях Севера со сложной транспортной схемой, дальними расстояниями между населенными пунктами и промышленными центрами наиболее актуальным направлением представляется разработка и рациональное применение теплоизоляционных пенобетонов на основе широко распространенных цементных и гипсовых вяжущих веществ в различных модификациях с повышенной реакционной способностью и небольшим количеством активной минеральной добавки природного происхождения, что не требует больших капитальных вложений и значительного повышения себестоимости конечной качественной продукции.

Цель работы - обоснование и разработка составов теплоизоляционных пенобетонов на основе модифицированных минеральных вяжущих с ускоренным твердением.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- исследование состава, структуры и свойств исходного сырья для оптимизации процесса структурообразования и свойств теплоизоляционных пенобетонов;

- исследование влияние состава на свойства быстротвердеющих вяжущих веществ на основе цемента, гипса и горелой породы;

- разработка составов теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения с ускоренными процессами схватывания и структурообразования;

- апробация и практическая реализация разработанных составов теплоизоляционного пенобетона в производстве.

Работы выполнялись в рамках Тематического плана НИР СВФУ (ЯГУ) на 2006-2011 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (№ гос. per. 01200805229), республиканской научно-технической программы «Проблемы строительного комплекса на Севере», гранта по федеральной программе «Старт-2007» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (заявка № 07-7-НЗ.8-0043, проект № 7378).

Научная новизна работы состоит в том, что в ней разработаны научные и технологические основы регулирования процессов структурообразова-ния применительно к теплоизоляционным пенобетонам, обеспечивающие повышение эффективности их производства с формированием оптимальной структуры применением техногенного сырья с ускоренным твердением. При этом получены следующие новые положения строительного материаловедения:

1. Для ускорения твердения пенобетона на основе портландцемента, что необходимо при проведении строительных работ в условиях отрицательных температур, может быть использовано введение в его состав комплексной добавки, состоящей из гипса и горелой породы. При этом сроки начала схватывания могут быть изменены в пределах 25-60 мин, конца схватывания - 40-140 мин. Прочность цементного камня после 28 суток твердения в нормальных условиях составила 15-17 МПа, обеспечивается эффект расширения до 0,7 %.

2. При увеличении содержания горелой породы в составе комплексной добавки увеличиваются сроки начала и конца схватывания, повышается прочность пенобетона и его расширение при твердении. Оптимальное содержание горелой породы в добавке составляет 45-60% мае. Оптимальное содержание этой добавки в полученном вяжущем равно 10% мае.

3. У безусадочных теплоизоляционных пенобетонов марки D300 и D500, получаемых на оборудовании СОВБИ, максимальная прочность при

сжатии 0,43 и 0,51 МПа соответственно достигается при использовании вяжущего, содержащего 90% цемента, 5,5% гипса и 4,5% горелой породы. Это позволяет ускорить процесс твердения пенобетонной смеси в 2-3 раза и обеспечить высокое качество теплоизоляционного слоя несъемной опалубки ограждающих конструкций.

4. Введение добавки, состоящей из портландцемента М400 и тонкомолотой горелой породы с удельной поверхностью 350 м /кг, в состав композиционного гипсового вяжущего (КГБ) позволяет регулировать сроки начала и конца схватывания теста, повысить значения прочности и водостойкости. Максимальной прочностью (20,5-21,0 МПа) обладают составы КГВ, содержащие 50 % добавки, в состав которой входит 40 % горелой породы.

5. У теплоизоляционного пеногипсобетона марки Б400, получаемого способом баросмешивания, наиболее высокая прочность (0,6 МПа) достигается тогда, когда комплексная добавка составляет 10-30% мае. в составе вяжущего, причем количество горелой породы составляет 40% мае. добавки. Объемное расширение пеногипсобетона происходит равномерно и стабилизируется уже к 7 суткам твердения и составляет 0-0,5%, что позволяет отнести полученный пеногипсобетон к безусадочным ячеистым бетонам.

Достоверность полученных результатов обеспечена комплексными экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием математического планирования эксперимента, современных физико-механических, теплофизических и физико-химических методов испытания, широкой проверкой их результатов в условиях производства, практическим подтверждением эффективности производства и применения разработанного теплоизоляционного пенобетона на основе модифицированных минеральных вяжущих в жилищном строительстве.

Практическая значимость работы.

1. Предложены составы теплоизоляционных пенобетонов марок Б300-0500 с использованием модифицированных минеральных вяжущих веществ на основе цемента, гипса и тонкомолотой горелой породы.

2. Определены технологические режимы производства теплоизоляционных пенобетонов и их укладки в несъемную опалубку стеновых ограждений в монолитно-каркасном и индивидуальном строительстве энергоэффективных жилых зданий.

3. Разработан технологический регламент производства монолитного теплоизоляционного пенобетона предложенного состава.

Разработанные составы и технология внедрены при строительстве 5-этажного здания Молодежного жилого комплекса «Юность-2010» и каменных коттеджей в г. Якутске, ряда индивидуальных энергоэффективных домов в сельской местности РС(Я).

Научно-техническая новизна предложенных решений подтверждены получением двух патентов Российской Федерации № 2361985 (изобретение) и № 84035 (полезная модель).

Результаты экспериментальных исследований и опытно-производственного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106, что отражено в учебных программах и ИУМКД специальных дисциплин «Технология ячеистых бетонов» и «Технология изделий из местного сырья».

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены: на Междунар. конф. «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007 г.); I и П Все-росс. научно-практ. конф. «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Якутск, 2008 и 2011 гг.); Всеросс. научно-техн. конф. НГАСУ (Новосибирск, 2008, 2009 и 2011 гг.); научно-практ. конф., посвященной 65-летию Строительно-технологического факультета МГСУ «Современные проблемы строительного материаловедения» (Москва, 2009 г.); Междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (Якутск, 2009 г.); IX Междунар. симпозиуме по развитию холодных регионов «Применение природосберегающих технологий в условиях

холодных регионов» (Якутск, 2010 г.); XI Всеросс. научно-пракг. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри, 2010 г.); VIII Междунар. научно-пракг. конф. «Инновационный путь развития строительства и архитектуры в агропромышленном комплексе России» (Орел, 2011 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных статьях и тезисах докладов, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также в 2-х патентах Российской Федерации.

На защиту выносятся:

- особенности управления процессом структурообразования и свойствами теплоизоляционных пенобетонов за счет повышения реакционной способности пенобетонной смеси путем подбора оптимального состава вяжущих веществ на основе цемента, гипса и из тонкомолотой горелой породы;

- состав и свойства теплоизоляционных пенобетонов на основе быст-ротвердеющего портландцемента, модифицированного введением комплексной добавки на основе гипса и горелой породы;

- состав и свойства теплоизоляционных пенобетонов на основе композиционного гипсового вяжущего с добавкой на основе портландцемента и горелой породы;

- технологические режимы производства теплоизоляционных пенобетонов и их укладки в несъемную опалубку стеновых ограждений в монолитно-каркасном и индивидуальном строительстве энергоэффективных жилых зданий;

- результаты внедрения.

1. Состояние и перспективы развития

производства и применения неавтоклавных ячеистых бетонов

(аналитический обзор)

тт U KJ ^

Легкии и теплый строительный материал - ячеистыи бетон, применяющийся в России в течение 70 лет и более 100 лет - за рубежом, может и должен способствовать в успешной реализации жилищной проблемы страны. Известно, что из 1 м минерального сырья за счет вовлечения воздуха можно получать до 3-4 м стенового материала.

С учетом современного зарубежного опыта для планомерного обновления жилого фонда и удовлетворения потребностей населения требуется возводить ежегодно порядка 1 м2 на одного человека, то есть довести в сравнительно недалеком будущем строительство жилья в нашей стране до 140-150 млн. м2 в год. Причем структура возводимого жилья также должна быть пересмотрена. В настоящее время на долю малоэтажного строительства в среднем по стране приходится около 40%, что, весьма мало [1].

Выполнение такой программы потребует изготовления огромного количества ограждающих конструкций, в том числе для стен и крыш жилых зданий. Среди наиболее эффективных для этих целей материалов специалисты, как отечественные, так и зарубежные, выделяют ячеистые бетоны, относящиеся к группе легких бетонов и отличающиеся рядом положительных свойств, в том числе повышенными звуко-, теплоизоляцией и пожаростойко-стью.

Последнее обстоятельство привлекает особое внимание европейских строителей. В принятой европейским союзом директиве по строительным изделиям пожаростойкость является одним из важнейших критериев при оценке пригодности зданий и сооружений к эксплуатации. Результатами многочисленных испытаний установлено, что конструкции из ячеистого бетона не горят и не поддерживают горение, не содержат горючих компонентов, при нагревании не выделяют токсичных веществ, обладают высокими теплоизо-

лирующими качествами, сохраняя в течение длительного времени целостность и несущую способность. Имеется опыт успешного использования ячеистого бетона и в конструкциях противопожарных преград и стен (брандмауэров).

Ячеистый бетон находит широкое применение в жилищном строительстве во многих странах с различными климатическими условиями. За рубежом разновидность ячеистого бетона - пенобетон был предложен Э.Х. Бауэром (Дания) в 1923 г., а неавтоклавные пенобетоны начали применять с 1926 г. (датская фирма "Христиани и Нильсен"). В России первые исследования по неавтоклавному пенобетону проводились с 1928 г. [2].

В заводских условиях известные технологии автоклавных ячеистых бетонов позволяют изготавливать стеновые изделия и конструкции с высокими физико-механическими с малыми значениями плотности [3-12]. Однако производство автоклавного ячеистого бетона связано с повышенной энерго-, металло- и фондоемкостью, малой рентабельностью и дальними перевозками, что значительно повышает стоимость изделий из него.

1.1 Неавтоклавные ячеистые бетоны

Потенциально требованиям технико-экономической эффективности отвечают изделия из неавтоклавного ячеистого бетона, в частности, пенобетона, о чем сви�