автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Высокоэффективные теплоизоляционно-конструкционные стеклокомпозиты на основе техногенного сырья

На гтавах пукописи

СЕРГЕЕВ Сергей Викторович

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТЕКЛОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Белгород - 2013

005541166

005541166

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент Пучка

Олег Владимирович

Официальные оппоненты — Дамдинова Дарима Ракшаевна доктор

технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно - Сибирский государственный технологический университет», профессор кафедры «Производство строительных материалов и изделий»

- Котляр Владимир Дмитриевич доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный технологический университет», зав. кафедрой «Строительные материалы»

•Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Защита состоится " 19 " декабря 2013 г. в 11°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адре-су:308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46. ауд. 242 г.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственногстехнологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан ^2013г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор техн.наук, профессор р--Г.А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Качественно новые требования к проектированию и строительству современного жилья привели к разработке государственной программы и нормативно-технических документов, направленных на решение задачи энергосбережения и снижения эксплутационных затрат в строительстве. Повышенные требования к тепловой изоляции зданий ставят перед проектировщиками новые задачи по повышению теплозащитных свойств.

Большинство из используемых в настоящее время утеплителей при монтаже на наружной поверхности ограждающих конструкций требуют нанесения на их поверхность защитных и декоративных слоев (отделка поверхности защитно-декоративными штукатурными растворами, облицовка керамической плиткой и т.д.). Большое разнообразие предлагаемых фасадных систем из-за нетехнологичности и высокой стоимости отделочных работ при монтаже теплоизоляции не позволяют их использовать в строительстве. Приемлемым способом реконструкции существующих и строительства новых зданий может служить использование стеновых материалов нового поколения.

Поэтому разработка наиболее эффективного стенового теплоизоляционно-конструкционного композита нового поколения, обладающего защитно-декоративными свойствами и высокими теплоизоляционными, прочностными и эксплуатационными характеристиками при снижении себестоимости производства и монтажа, является одной из важнейших задач, стоящих перед промышленностью строительных материалов. "

Диссертационная работа выполнена в рамках внутривузовского гранта на 2012-2014 гг. «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении».

Цель работы. Разработка высокоэффективного теплоизоляционно-конструкционного материала нового поколения на основе техногенного сырья с высокими теплоизоляционными и прочностными характеристиками для ограждающих конструкций зданий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать стекломатрицу, пригодную для получения теплоизоляционно-конструкционного композита с высокими теплоизоляционными и прочностными характеристиками.

2. Определить влияние состава и свойств компонентов пенооб-разующей смеси на процессы структурообразования тегаюизоляцион-но-конструкционного материала.

3. Разработать способы повышения эффективности теплоизоляционно-конструкционного композита за счет армирования стекломат-рицы высокодисперстными кристаллическими наполнителями и нане-

сения плазмохимическими методами защитно-декоративных покрытий на поверхность материала.

4. Исследовать физико-химические особенности формирования покрытий на поверхности теплоизоляционно-конструкционного композита и установить структурно-морфологические особенности композиции композит-покрытие.

5. Провести расчет технико-экономических показателей производства теплоизоляционно-конструкционного материала с защитно-декоративным покрытием.

6. По результатам исследований разработать нормативные документы на теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— сформулированы методологические принципы получения высокоэффективных теплоизоляционно-конструкционных материалов нового поколения, заключающиеся в том, что процессы структурообразования стеклокомпозитов и их физико-механические характеристики определяются дисперсностью компонентов пенообразующей смеси, направленной кристаллизацией подложки и прочностью сцепления плазмо-химических покрытий с основой;

— обосновано влияние гранулометрического состава и дисперсности стеклобоя и газообразователя на интенсификацию процессов порообразования и формировании структуры теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозига . Выявлено, что при установленном оптимальном количестве газообразователя 0,9-1,1 мас.% и при удельной поверхности свыше 1000 м2/кг (1240-1270 м2/кг) образуется равномерная мелкопористая полидисперсная структура, снижается на 25-30% температура вспенивания пенообразующей смеси, повышается прочность на 30-35%, снижается водопоглощение на 40-50% (при нанесении плазмохимиче-ских покрытий на лицевую поверхность пеностекла), тем самым увеличивается долговечность стеклокомпозита.

— установлен характер структурообразования теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита на основе отходов обогащени, заключающийся в оптимизации гранулометрического состава и дисперсности стеклобоя и газообразователя, их взаимном влиянии на вспенивающую способность пенообразующей смеси и протекание процессов кристаллизации при вспенивании, что обусловлено высокоразвитой системой пор и состоянием поверхности. За счет содержания в составе отходов ММС железистых кварцитов Бе (II) и постоянного отношения СаО/РеО + Ре203 , обеспечивается необходимая вязкость для вспенивания и вводится необходимое количество железа и кальцийсодержа-щих компонентов. Это обеспечивает оптимизацию протекания реакций

при синтезе теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с заданными свойствами;

_ предложен механизм формирования плазмохимических покрытий на

поверхности теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита на основе стеклобоя и техногенного сырья, заключающийся в повышении адгезии покрытия и подложки за счет диффузии и формирования между ними контактного слоя, имеющего стеклокристаллическую структуру. Прочность контактного взаимодействия в системе «покрытие-стеклокомпозит» определяется диффузией расплава в поверхностный слой подложки на глубину до 200 мкм с частичной кристаллизацией стеклофазы. Установлено, что оптимальная толщина плазмохимических покрытий на поверхности теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита составляет 800-1200 мкм.

Практическая значимость работы.

Разработан высокоэффективный теплоизоляционно-

конструкционный материал нового поколения, обладающий высокими прочностными и теплоизоляционными характеристиками

Обоснована возможность использования техногенного сырья в качестве компонента пенообразующей смеси при производстве высокоэффективных теплоизоляционно-конструкционных стеклокомпозитов , что позволило расширить сырьевую базу и уменьшить количество стеклобоя в составе по сравнению с традиционным пеностеклом, а, следовательно,

снизить его себестоимость.

Установлено повышение прочностных характеристик теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита за счёт армирования его структуры.

Разработаны технологический регламент, стандарт предприятия и рекомендации по использованию техногенного сырья для получения теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита, технико-экономическое обоснование эффективности их производства и внедрения результатов исследований.

Использование теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита позволит расширить область применения пеностекла и снизить затраты при монтаже наружной изоляции зданий за счет отсутствия дополнительной стадии - нанесения штукатурного слоя на поверхность пеностекла для защиты от атмосферного воздействия. ^

Использование стеклокомпозита с плотностью ниже 250 кг/м в качестве наружной изоляции зданий позволит снизить нагрузку на фундамент, а следовательно, облегчит конструкцию фундамента и снизит материалоемкость в строительном комплексе.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах:

Международная студенческая Интернет-конференция «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007 г.; Региональная научно-практическая конференция «Молодые ученые -'науке и производству», Старый Оскол, 2007 г.; Международная научно-практическая конференция «Научные исследования, наноси-стемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», Белгород, 2007; Научно-техническая студенческая конференция, посвящен-ная'50-летию БГТУ им. В.Г. Шухова, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007 г.; VI Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2007 г.; Выставка «Ресурсо- и энергосбережение», БелЭКСПОЦЕНТР, 2007 г.; Доклад на Научно-технической конференции, посвященной 50-летию БГТУ им. В.Г. Шухова, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007 г.; Международная научно-практическая конференция «Эффекивные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», Липецк, 2007 г.; Международная научно-техническая Интернет-конференция «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2008 г.; Международная научно-техническая Интернет-конференция «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010 г.; Международная научно-техническая Интернет-конференция «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012 г.;

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 4 в издании, рекомендованных ВАК, в том числе и монографии и получен патент РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, описания материалов и методик исследования, экспериментальной части, общих выводов, библиографического описания литературных источников 180 наименование. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, включающего 52 таблицы, 49 рисунков и 4 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в постановке направления исследования, проведении и оформлении диссертационной работы д.т.н., профессору Лесовику Руслану Валерьевичу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Предусмотренное федеральными целевыми программами «Жилище» и «Свой дом» массовое жилищное строительство не может ориентироваться на зарубежные поставки. По расчетам Росстроя при объеме нового строительства 80 млн. м2 жилой площади ^в год и объеме реконструкции 20 млн. м2 понадобится около 18 млн. м утеплителя.

Повышению эффективности и расширению сырьевой базы производства строительных материалов посвящены исследования многих научных школ. Благодаря работам И. Н. Ахвердова, Ю. М. Баженова, В. М. Безрука, П. И. Боженова, Ю. М. Буга, А. В. Волженского, Г. И. Горчакова, А.

М. Гридчина, Е. И. Евтушенко, И. С. Кайнарского, В. И. Калашникова, В. К. Классена. П. Г. Комохова, В. С. Лесовика, И. Г. Лупошной, Н. И. Минько, В. М. Могилевича, В. М. Москвина, О. П. Мчедлова-Петросяна, И.И. Немеца, В. П. Носова, И. Г. Орловой, А. П. Прошина, В. Б. Ратинова, Ш. М. Рахимбаева, Л. Н. Рашковича, И.А. Рыбьева, Л.Б. Сватовской, В.И. Солома-това, Е. И. Чернышева, А.Е. Шейкина и др. в Российской Федерации разработаны технологии производства эффективных строительных материалов. На нынешнем этапе своего развития человечество сталкивается с нехваткой энергоресурсов. Эта проблема актуальна для всех промыш-ленно развитых стран мира, в том числе и для России. Поэтому в нормативных документах ужесточаются требования к теплоизоляционным характеристикам строительных материалов.

Перед учеными стоят задачи по разработке композиционных материалов, обладающих улучшенными теплотехническими параметрами. Ограждающие конструкции зданий и сооружений должны отвечать повышенным требования к сопротивлению теплопередаче, что позволит сократить потери тепла, а, значит, и снизит потребление энергоресурсов.

Сравнительная характеристика наиболее распространенных теплоизоляционных материалов свидетельствует о том, что по комплексу свойств наиболее перспективно применение композиционных теплоизоляционных материалов на основе пеностекла. Важным преимуществом пеностекла по сравнению с другими теплоизоляционными материалами являются его полностью неорганический состав и низкое водопоглощение.

В области технологии пеностекла на сегодняшний день накоплен значительный научный и практический опыт. Производство пеностекла в России развивается медленно и это, в первую очередь, связано с проблемой исходного продукта — стеклобоя или специально сваренного стеклогранулята. Для обеспечения требуемой потребности производства исходным сырьем необходима целенаправленная варка стекла или организованный селективный сбор стеклобоя, что влияет на себестоимость конечного материала.

В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы расширения сырьевой базы за счет использования природного сырья, в том числе некондиционных для стекловарения сырьевых материалов, и техногенного сырья.

Разработка составов пенообразующих смесей и выбор сырьевых компонентов, обеспечивающих протекание процессов сили-като- и стеклообразования, необходимая однородность конечного продукта являются решающими факторами в решении данной проблемы.

Высокая стоимость пеностекла обусловлена применением дорогостоящих материалов при его производстве. Поэтому перед наукой

стоит задача: научиться применять в качестве компонентов сырья для производства пеностекла дешевые и недефицитные материалы. Такими материалами могут быть отходы промышленного производства. Качественный теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпози-та характеризуется равномерным распределением пор в объеме материала и мелкопористой структурой.

Вид пористой структуры зависит от объема пористости, технологических параметров и способов производства материала (рис.1)

Формирование равномерной пористой стя^тры пеностекла с ладанными свойствами

количество газообразсвахеля

Газовая свела дисперсность газообразователя

интенсивность газо выделения

генпеоатутзы газовой соепы

состав среды (содержание кислорода в газовой среде)

вязкость

свойства системы поверхностное натяжение

Пенообразующая спесь химический состав пооизуекого материала

температура размягчения поризуемого материала

равномерность распределения газообразователя в пенообразующей шеси

т онкость п смога газообразоват еля

Рис. 1. Факторы, влияющие на интенсификацию процессов порообразования и на формирование структуры высокопористых теплоизоляционно-конструкционных стеклокомпозитов При проведении исследований по разработке теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с покрытием руководствовались требованиями нормативных документов на строительные и теплоизоляционные материалы: СНиП 23-02-2003,ТОСТ 17177-94, ГОСТ 7076-99, СНиП 21-01-97, СП 23-101-2004.

Для получения мелкопористого теплоизоляционного стеклокомпозита в работе использовали: стеклобой; газообразователь - сажа (ГОСТ 7885-86,ТУ 2166-001-00149570-99), отходы обогащения ММС (таб. 1) и дистиллированную воду.

ею. А1А БеО СаО М§0 ИаО+К О 2 2 Б п.п.п.

65,02 2,21 7.90 2,70 4,97 1,5 0,192 5.98

При производстве пеностекла в промышленном масштабе в большинстве случаев применяется пенообразующая смесь со средней величиной частиц около 10 мкм. Величина удельной поверхности такой смеси примерно равна 6000 см2 / г, обычно - 5000...7000 см2 /г.Для до-

стижения более высокой удельной поверхности использовали комбинированный помол компонентов пенообразующей смеси на разных типах дробильно-помольного оборудования (рис.2).

л zoo

4loa

;юоо эоо 800

К "te

g-aoo S r.oo

№ 400

S

Рис. 2. Зависимость удельной поверхности стеклопорошка

от времени помола Для выбора материла подложки был проведен патентный поиск составов и технологии пеностекла. Для оптимизации структуры подложки был проведен анализ свойств теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита в зависимости от вида и дисперсности газообразователя. Сравнительный гранулометрический анализ дисперсных сред проводили на анализаторе «Микросайзер 201», удовлетворяющего требованиям международного стандарта ISO 133201:1999 (Particle size analysis- Laser diffraction methods) (рис. 3.).

В - диаметр частиц, мкм; Р - содержание частиц, мае. % Так как использование сажи сокращает один из энергоемких процессов - дополнительный помол газообразователя, в дальнейшем использовали сажу. Температурный режим вспенивания теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита (рис. 4.)

Рис. 4. Режим вспенивания: 1- нагрев, 2- вспенивание, 3- фиксация пены; 4 - отжиг

Зависимость структуры теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита от тонкости помола газообразователя представлена в табл. 1.

Таблица 1

Зависимость структуры теплоизоляционно-конструкционного стекло-композита от тонкости помола газообразователя_

№ состава Газообразователь Удельная поверхность, м/кг Плотность пеностекла р, кг/м

1 Сажа >1600 240

2 Уголь(бч) 1430 280

3 Уголь(11ч) 1530 270

4 Уголь(20ч) 1575 275

На первом этапе были проведены поисковые эксперименты с целью оптимизировать количество сажи и угля, вводимых в пенообразую-щую смесь. Смешивали 75-95% тонкоизмельченного стекла, 5-15% отходов обогащения с 0,7 - 1,1 % пенообразователя, который тоже находится в состоянии тонкой дисперсии. Теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит на основе стеклобоя и с различным процентным соотношением стекло — сажа( табл. 2.)

Таблица 2

Теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит на основе стеклобоя _

№ п/п Уд. поверх, м2/кг Кол-во сажи, (%) Описание

1. 1251,7 0,6 Высота образца 6,5см, неравномерность подъема слоев образца.

2. 1251,7 0,7 Высота образца 7,3 см, конусообразный купол

3. 1251,7 0,8 Высота образца 7,6 см, разнотошцинность межпоровых перегородок

4. 1251,7 0,9 Высота образца 7,8 см, равн.распрлор.

5. 1251,7 1,0 Высота образца 7,9 см, равн.распр.пор.

6. 1251,7 1,1 Высота образца 7,3 см, частичное наличие сообщающихся пор

7. 1262,7 0,6 Высота образца 7,8см, неравномерность подъема слоев образца

8. 1262,7 0,7 Высота образца 8,5см, конусообразный купол

9. 1262,7 0,8 Высота образца 9,3см, разнотолщинность межпоровых перегородок

10. 1262,7 0,9 Высота образца 10см, равн.распр.пор.

11. 1262,7 1,0 Высота образца 10,2см, равн.распр.пор.

12. 1262,7 1,1 Высота образца 9,3см, разрыв верхних слоев образца, наличие сообщающихся пор

й

0

1 3

о.

ю о я

о о 2 СО

400 500 600 700 800 300 1000 1100 1200 1300

Удельная поверхность, м2/кг

Рис. 5. Зависимость высоты вспенивания образцов от удельной поверхности стеклопорошка Равномерная мелкопористая структура теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита образуется при содержании газо-образователя в пределах 0,9 - 1,0 масс. % (сверх 100%). С повышением концентрации углерода в пенообразующей смеси, увеличивается выход газовой фазы при одновременном незначительном увеличении вероятности протекания реакций газообразования. Кроме того, при концентрации свыше 1,0% в блоках пеностекла наблюдались прорывы в межпоровых перегородках, неравномерное вспенивание, сообщающиеся поры, что для теплоизоляционного пеностекла является нежелательными явлениями (рис.5) и (таб.3).

Таблица 3

Зависимость коэффициента вспенивания пенообразующей

Время помола, мин 8уд.,м^/кг (ПМЦ -500) Тем-pa печи, Т°С Коэф.вспенивания

30 1095,1 875 3

40 1262,7 875 4

50 1251,7 875 3,8

60 1214,6 875 3,7

70 1188,2 875 3,5

Таким образом, тонкодисперсное измельчение компонентов пенообразующей смеси позволяет получать теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит с мелкопористой структурой, а вспенивающая способность зависит от дисперсности компонентов и температуры вспенивания.

Теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит должен обладать высокими физико-механическими и теплофизическими характеристиками (сопротивление теплопередаче, термостойкость, низкая теплопроводность и т.д.), быть защищенным от атмосферного воздействия и иметь длительный срок эксплуатации.

Шихту для теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпо-зита готовили путем тонкого измельчения и тщательного смешивания стекла, газообразователя (сажи) и отходы ММС. Чем тоньше измельчена смесь и чем лучше газообразователь распределен в смеси, тем равномерней структура теплоизоляционно-конструкционного стекло-композита и, следовательно, лучше физико-химические свойства материала. Тонина помола также влияет и на температуру вспенивания -чем тоньше помол, тем ниже температура вспенивания.

Результаты рассева отходов ММС (табл. 4).

Таблица 4

Гранулометрический состав отходов ММС

№ п/п Размер сита, мм Количество отходы ММС, %

1 0,630 -

2 0,315 -

3 0,160 6

4 0,063 27

5 0,05 44

6 <0,05 15

Как видно, преобладающим является количество частиц шлака размером 0,05 мм.

При установленном режиме вспенивания испытывались составь^ табл. 5).

Таблица 5

Выбранные составы пенообразующей смеси_

№ опыта Состав, % Результат опыта

1 Отходы ММС- 5, стеклобой - 95, сажа - 1, вода - 6. Вспенивание образца (1(1=3,4-3,6).

2 Отходы ММС - 10, стеклобой - 90, сажа - 1, вода - 6. Вспенивание образца (К„=3,0-3,2).

3 Отходы ММС - 15, стеклобой - 85, сажа - 1, вода - 6. Умеренное вспенивание образца (К„=2,3-2,5).

4 Отходы ММС - 20, стеклобой - 80, сажа - 1, вода —6. Незначительное вспенивание.

5 Отходы ММС - 30, стеклобой - 70, сажа - 1, вода-6. Вспенивания не произошло.

При проведении опытов 1, 2, 3 произошло удовлетворительное вспенивание образцов. Таким образом, нами был получен теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит на основе пеностекла с использованием отходов промышленного производства (хвостов). При этом шихта для данного материала включала, мас.%: хвосты 5-15%, стеклобой - 85-95%, сажа - 1 %, вода - 6%.

Теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит с под-шихтовкой хвостами обогащения показал наличие большего количе-

композита, подшихтованного хвостами А - 8Ю2 (кварц); О . 8Ю2 (тридимит); С- !^2А14?Л5018;

О- СаМ^фгОб (диопсид); 2Мё0-2А1203-58Ю2 .

Для оптимизации режима вспенивания теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита , подшихтованного отходами был проведен дифференциально-термический анализ образцов 1 и 2, как имеющих лучшие результаты вспенивания.

I 9 да ~Б 2? 5 а 72 31 ж?

Рис. 7. ЭТА и Е)ТС пробы пенообразующей смеси с хвостами

1 - ДТ, изменение температуры; 2 - Д т; 3 - ЭТА; 4 - ЭТО.

На дериватограмме исследуемых образцов наблюдали два выраженных эндотермических эффекта и один экзотермический эффект (рис.7) и (табл. 6)

Таблица 6 Характеристики исследуемых образцов

№ образца Эндоэффект, о С Потеря массы, мг 0 Экзоэффект, С Потеря массы, мг

Образец №1 448,0 1,6 546,6 4

546,4 4,3

676,9 9,7

Образец №2 444,1 2,3 544,3 6

544,3 5,388

682,9 11,1

ляциоино-конструкционного стеклокомпозита на основе отходов в интервале температуры пенообразования показало, что максимальный коэффициент вспенивания шихты во вспенившихся составах происходит в интервале температур вспенивания 870-880 °С, затем происходит снижение интенсивности вспенивания. Вероятно, при повышении температуры резко возрастает интенсивность выгорания углерода и давление в порах становится таким, что прорывает межпоровые перегородки, что приводит к усадке пенообразующей смеси.

Ку 4.0 у

800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 (,°С

О — 5% отходов обогащения —«— 10% отходов обогащения -л— 15% отходов обогащения

Рис. 8. Кинетика процесса вспенивания теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита на основе отходов в интервале температуры пенообразования Для разработки состава стекломатрицы защитно-декоративного покрытия теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита были определены факторы и критерии выбора оптимальных составов покрытий для высокопористых материалов (пористость выше 80 %).

Экспериментально установлено, что ТКЛР исходного стекла находится в пределах от 99 до Юб-Ю'^С"1, а по результатам, рассчитан-

ным с помощью метода Аппена, ТКЛР исходного стекла равен 90 -10"7 "С"1.

Следовательно, коэффициент термического расширения покрытий должен находиться в пределах от 80 до 100-Ю'7 °С~', что наиболее соответствует условиям выбора защитно-декоративного слоя.

Для получения покрытия на поверхности теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита нами были разработаны одно- и двустадийные схемы нанесения покрытий на пеностекло с использованием плазмохимических методов: напудривание или шликерное нанесение покровного слоя с последующей обработкой в факеле плазмы, напыление покрытия, оплавление поверхности. Наиболее просты и менее энергоемки одностадийные плазмохимические методы. На поверхность подложки (пеностекло) был предварительно нанесен слой покрытия, состоящий из боя листового стекла в котором для связки использовали жидкое стекло. Для снижения термоудара образцы предварительно нагревали в муфельной печи до температуры 350-400 °С. В этот период из слоя покрытия интенсивно удаляется остаточная влага, не удаленная в процессе сушки. При плазменной обработке поверхности происходит расплавление покрытия и, благодаря динамическому напору, интенсивные диффузионные процессы между расплавом покрытия и поверхностными слоями пеностекла.

Схема первого способа нанесения покрытия (расплавление) (рис. 9).

Исходное сухое покрытие (твердое газопроницаемое покрытие)

Предварительный нагрев подложки для снижения термоудара и удаления влаги из покрытия Пеностекло

Образование расплава покрытия Начало формирования контактного слоя Пеностекло

Расплав покрытия (герметизация, покрытие жидкое)

Контактный слой

Пеностекло

Стеклопокрытие (твердое газонепроницаемое) Стеклофаза в композиции с кристаллическими фазами, контактный слой Пеностекло

Рис. 9. Схема формирования теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита методом расплавления покрытия

Для изучения механизма сцепления между покрытием и пеностеклом были проведены исследования стеклокомпозита на электронном микроскопе (рис. 10).

Покрытие

Контактный слой

Пеностекло

Рис. 10. Микроструктура стеклокомпозита (метод расплавления)

Схема формирования теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита методом напыления (рис. 11).

- Пеностекло, предварительно нагретое до 350-400 °С

Материал покрытия ( стержневое (или через дозатор) введение материала покрытия для расплавления в факеле плазменной горелки и нанесения на поверхность пеностекла) Пеностекло

Расплавленные частицы покрытия Пеностекло

Образование рельефного покрытия Контактный слой с размытой границей

Пеностекло

Рис. 11. Схема формирования теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита методом напыления

Как и в первом способе подложку для снижения термоудара и лучшего сцепления с покрытием предварительно нагревали до температуры 350-400 °С. Покрытие формовали в виде стержня. Состав покрытия — стеклобой и жидкое стекло. Распыление проводили с удалением от среза плазменной горелки на 50-80 мм. За счет динамического напора плазменной струи частицы покрытия «вплавляются» в поверхность подложки. Благодаря высокой температуре на поверхности частиц, они сплавляются не только с подложкой, но и друг с другом. Кроме того, из-за высокой температуры вязкость и поверхностное натяжение покрытия ниже, что благоприятно сказывается на залечивании поверхностных дефектов. Поэтому происходит залечивание поверхности покрытия, трещины «закрываются» и контакт подложки с атмосферой уменьшается. В этот период формируется контактный слой, хотя он не имеет таких четких границ, как в первом случае (рис. 12). Характер поверхности рельефный (рис. 13).

В обоих случаях на границе раздела фаз (в контактном слое) образуются кристаллические фазы, обеспечивающие прочность сцепления покрытия и подложки. Процесс формирования контактного слоя происходит в течение 30-50 с. В этот период окончательно залечивается поверхность теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита расплавленным покровным слоем. Следующим этапом является медленное охлаждение изделия.

Таким образом, нами установлено, что сцепление покрытия с подложкой при плазмохимической обработке происходит за счет контактного слоя, который образуется в результате образования кристаллических фаз, предположительно, алюмосиликатов калия, натрия и кальция (KAlSi04, Na AlSi04, СаОА1203-6 Si02) (рис. 14).

Рис. 12. Микроструктура образца теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита (метод наплавлення)

Рис. 13. Характер поверхности образца теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита (метод наплавления)

Рис. 14. Контактный слой стеклокомпозит-покрытие

Время контакта частицы с основой при плазменном напылении составляет от 100"5 до 10"7 с. В процессе формирования покрытия при затвердевании частиц в них и в подложке возникают термические напряжения, достигающие Ю2 МПа. В случае Л1>Л2 в покрытии возникают растягивающие напряжения, если Л,<Л2 - сжимающие напряжения. Дня тел простой формы (пластина, цилиндр) напряжения 2-го рода рассчитываются на основе положений теории термоупругости:

__Е,е2 (А, - л2 )Т_

о- ЕхЕ2{^-Х2)Т

2 ЕХ\-ц2)+{МК)Е2(\-^

где:/.,, Л2 - коэффициент термического расширения покрытия и основы, 1/°С;£ь Е2 - модуль упругости покрытия и основы, Па; /4, Цг - коэффициент Пуассона покрытия и основы; Г-температура, К; ЬъЪ2 — толщина покрытия и основы, м.

При плазменной обработке лицевой поверхности пеностекла температура, создаваемая в поверхностных слоях, и время воздействия плазменного факела являются факторами, определяющими качество изделия.

Результаты исследований позволили применить выявленные принципы и закономерности для разработки новой технологии теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с защитно-декоративным покрытием по лицевой поверхности.

Для снижения себестоимости теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита и энергоёмкости производства в состав вводится до 15% отходов ММС, за счёт высокой дисперсности сырьевых компонентов, сокращается время выдержки при температуре вспенивания на 40% и повышается прочность стеклокомпозита за счёт введения в стеклянную матрицу армирующего кристаллического компонента, а для повышения долговечности и снижения затрат при монтаже на ограждающую конструкцию стеклокомпозит имеет плазмохимическое покрытие по лицевой поверхности (рис.15).

МЕЖПОРОВЫЕ ПУСТОТЫ

межпоровые перегородки

АРМИРОВАНИЕ МЕЖПОРОВЫХ ПЕРЕГОРОДО« ОТХОДАМИ ММС

Рис. 15.Структура теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита

_ покрытие

— основные поры

Основные эстетико-потребительские и технико-

эксплуатационные свойства теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием (табл. 7).

Испытания по адгезии показали, что теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит по усилию отрыва близок к силикатному и керамическому кирпичу, пенобетону. Испытание модели по

морозостойкости (по 25 циклов замораживания-оттаивания) показали, что снижение прочности сцепления с основанием теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита составило 10,6%, что не превышает нормативный показатель по ГОСТ 31356-20007 .

Таблица 7

Эксплуатационные характеристики теплоизоляционных материалов

№ п/п Свойство Значение

Теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит Пеностекло без покрытия Пеностекло (г. Гомель)

1 Кислотостойкость класс АА стойкое стойкое

2 Водостойкость покрытия 1П гидролитический класс - -

3 Предел прочности на сжатие, МПа 6,03 2,23 0,7-1,3

4 Предел прочности на изгиб, МПа 2,16 0,83 0,3-0,5

5 Морозостойкость, циклы >50 >50 >50

6 Теплопроводность, Вт/м-К 0,08 0,07 0,05-0,07

7 Плотность, кг/м 240 до 170 до 180

8 Водопоглощение, % <8 <5 <5

Расчетным методом определены толщина и теплоустойчивость изоляции из стеклокомпозита для Белгородкой области и вьивлено, что композиция теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит +силикатный кирпич обеспечивает необходимые теплоизоляционные показатели ограждающих конструкций зданий.

Также была проведена оценка фрагмента ограждающей конструкции с использованием газобетонных блоков и блоков теплоизоляционно- конструкционного стеклокомпозита при сравнительно одинаковых размерах (длина 3200/3125 мм, высота 3000/3000 мм, толщина 200/200 мм) мы используем меньшее количество блоков. Это позволит снизить количество расходуемого раствора, общую длину швов на 26%, снизить нагрузку на фундамент на 23% и прогнозируемое снижение тепло потерь составляет 18-20%. С учётом того, что теплофизиче-ские характеристики теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита выше, чем у газобетонного блока на 42% (теплопроводность 0,08/0,14), толщины 200 мм достаточно, чтобы обеспечить необходимое сопротивление теплопередачи. Для снижения потерь через кладочные швы можно использовать перлитовый и вермикулитовый песок, самые близкие по теплопроводности. к теплоизоляционно-конструкционному стеклокомпозиту (рис.16) и табл.8

. 1 I 1 1 1

II1 г.....

1 1 ! 1 1

1 1 1 1

I 1,1 1..........1

11^11

У\\\

у

Рис. 16. Фрагмент ограждающей конструкции с использованием газобетонных блоков и блоков теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита

Таблица 8

Основные показатели фрагмента ограждающей конструкции

№ л/п Материал Нагрузка на фундамент, кг Общая дайна швов , м Теплопроводность блока, Вт/м С

1 Блоки газобетонные 937,5 33,875 0,14

2 Теплоизоляционный конструкционный стеклокомпозит 720 25 0,08

На теплоизоляционно-конструкционный был разработан стандарт организации (СТО) и технологический регламент на производство.

Расчетом ожидаемого экономического эффекта показано: экономия по затратам на изоляцию ограждающих конструкций зданий за счет использования в качестве утеплителя теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита составит 1740700 руб. в год.

Общие выводы по диссертации 1. Сформулированы методологические принципы получения высокоэффективных теплоизоляционно-конструкционных стеклоком-позитов, заключающиеся в том, что процессы структурообразования стеклокомпозитов и их физико-механические характеристики определяются дисперсностью компонентов пенообразующей смеси, направленной кристаллизацией подложки и прочностью сцепления плазмо-химических покрытий с основой. Это позволило получить композиты

с высокими физико-механическими характеристиками и долговечностью.

2. Впервые исследованы плазмохимические покрытия на поверхности теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита. Установлено, что сцепление покрытия с пеностеклом обусловлено образованием контактного слоя за счет диффузии компонентов покрытия в подложку при плазмохимической обработке поверхности пеностекла в системе подложка — покрытие - плазмохимическая среда.

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено получение теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита. Доказано, что частичная кристаллизация пеностекла при введении техногенного сырья в состав теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита существенно не снижает теплофизических и прочностных характеристик материала.

4. Показано, что использование шлаков и отходов обогащения, содержащих основные стеклообразующие оксиды и кристаллические фазы при высокой дисперсности исходных компонентов не снижает вспенивающей способности пенообразующей смеси, что позволяет значительно расширить сырьевую базу минеральных составляющих техногенного происхождения для производства теплоизоляционных материалов.

5. Выявлены особенности взаимодействия поверхности пеностекла с плазмохимическими покрытиями, обеспечивающими хорошее сцепление между ними и позволяющие получать теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит с защитно-декоративными покрытиями. Предложены схемы нанесения плазмохимических покрытий на поверхность теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита .

6. Комплексом физико-химических методов исследований: ДТА, РФА, электронной микроскопией выявлен фазовый состав и структура покрытия и его контактного слоя. В контактном слое преимущественно формируется стекловидная фаза в композиции с кристаллическими фазами. Толщина покрытия составляет 1000 мкм. Установлено, что нанесение защитно-декоративного покрытия на поверхность теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпота повышает его прочность: прочность на сжатие повышается на 4 МПа, прочность на изгиб на 1,5 МПа. В покрытии формируются следующие кристаллические фазы: алюмосиликаты - КА18Ю4, КаА15Ю4, А1зСа0>581зОп.

7. Изучено влияние дисперсности газообразователя (угля и сажи) на структуру теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита и его плотность. Показано, что теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с плотностью менее 240 кг/м

можно получать при удельной поверхности газообразователя не менее 1530 м2/кг, компонентов пенообразующей смеси свыше 1000 м2/кг.

8. Подтверждено насьпцение поверхностных слоев пеностекла ионами кальция в композиции цементный раствор-пеностекло, без разрушения структуры теплоизоляционно-конструкционного стекло-композита . Ионы кальция встраиваются в структуру пеностекла, повышая его массу на 0,25%. Выявлена зависимость прочности композиции цементный раствор-стеклокомпозит от времени выдержки. Максимальное повышение прочности наблюдается в возрасте 3 суток -2,65 МПа, затем идет снижение прочности после 14 суток выдержки до 2,1 МПа. После релаксации напряжений в композиции в возрасте 28 суток остаточная прочность составляет 2,41 МПа.

9. Разработаны обобщенные схемы одно- и двустадийного плазмохимических методов нанесения защитно-декоративных покрытий на поверхность подложки для формирования теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита , которые включают пять стадий, обусловленных протекающими физико-химическими процессами и этапами формирования покрытий на поверхности стеклокомпозита.

10. Показано, что в результате использования в качестве утеплителя для наружной изоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с защитно-декоративным покрытием ожидаемый экономический эффект составит 1740700 руб. при годовом объеме изоляционных работ 50000 м2.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пучка О.В. Селективный сбор стеклобоя как способ снижения себестоимости пеностекла / О.В. Пучка, Т.П. Кириченко, C.B. Сергеев // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. статей Международной научно-техн. конференции Пензенского государственного университета архитектуры и строительства. - Пенза, 2010 г.-С 154-158.

2. Пучка О.В. Применение вторичных техногенных отходов для получения тепло- и звукоизоляционных стеклокристаллических материалов / О.В. Пучка, Т.П. Кириченко, C.B. Сергеев // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сб. статей Международной научно-техн. конференции Пензенского государственного университета архитектуры и строительства. - Пенза, 2011 г. - С.79-81.

3. Пат. 245058 Российская федерация, МНК (51) С03В 19/08.- Способ получения теплоизоляционного облицовочного материала на основе

пеностекла./О .В. Пучка, B.C. Бессмертный, М.Н. Степанова, Е.В. Калмыкова , C.B. Сергеев.; заявитель и патентообладатель, «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова- №2011145010/03 ; заявка 07.11.2011г.; опубл. 20.06.2013г. Бюл. №17

4. Черноситова Е.С. Статистический анализ качества песка при геологической разведке нового месторождения / Е.С. Черноситова, Ю.В. Денисов, C.B. Сергеев// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №2 , 2012,-С.17-19

5. Пучка О .В. Разработка методики оценки коэффициента вспенивания пенообразующей смеси, как критерий оценки показателей качества пеностекла / О.В. Пучка, С.С. Вайсера, C.B. Сергеев // Сб. докл. V Междунар. науч.-теха Интернет-конференция «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации».-Белгород: БГТУ, 2013.- С.30-34.

6. Минько Н.И. Пеностекло -современный эффективный неорганический теплоизоляционный материал / Н.И. Минько, О.В. Пучка, Е.И. Евтешенко, В.М. Нарцев, C.B. Сергеев// Фундаментальные исследования . - 2013.- № 6 (часть 4), С. 849-854.

7. Пучка О.В. Плазмохимические методы получения покрытий на поверхности пеностекла / О.В. Пучка, С.С. Вайсера, C.B. Сергеев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова.-2013 г. -№3, С.147-150.

8. Пучка О.В. Совершенствование методов подготовки компонентов пенообразующей смеси для повышения качества пеностекла / О.В. Пучка, С.С. Вайсера, C.B. Сергеев // Сб. докл. V Междунар. науч.-техн. Интернет-конференция ((Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации».-Белгород: БГТУ, 2013,-С.130-135.

9. Пучка О.В. Высокоэффективные теплоизоляционные материалы на основе техноген-ного сырья/ О.В. Пучка, С.С. Вайсера, C.B. Сергеев, Н.В.Калашников//®естник БГТУ им.В.Г.Шухова.-2013 г. -№2, С.51-55.

10. Пучка О.В. Высокоэффективные теплоизоляционные стеклоком-позиты на основе техногенного сырья. Плазмохимические методы нанесения покрытий на поверхность пеностекла: монография/ О.В. Пучка, C.B. Сергеев, Н.В. Калашников.— Белгород: Изд-во БГТУ, 2013,— 187 с.

СЕРГЕЕВ Сергей Викторович

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТЕКЛОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 14.11.2013. Формат 60x84 1/16. Объем 1,0 Уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ 427 ___

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46. Тел./факс (4722) 30-99-73

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.Г. ШУХОВА

На правах рукописи

л/^ли¿54250

VI ¡,«11 ЛЬ-1'

СЕРГЕЕВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТЕКЛОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ

ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, Пучка О.В.

Белгород -2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6

Глава 1. Состояние вопроса 14

1.1 Теплоизоляционные материалы и их свойства 18

1.1.1 Классификация теплоизоляционных материалов 20

1.1.2 Свойства теплоизоляционных материалов 23

1.2 Современные методы применения наружной тепловой изоляции 28

зданий

1.3 Актуальность производства и преимущества применения 33 теплоизоляционных материалов

1.4 Использование техногенных сырья в производстве 38 композиционных пеноматериалов

1.4.1 Техногенное сырье для производства композиционных 41 материалов

1.4.2 Применение стекольного боя в производстве пеноматериалов 43

1.5. Повышение эффективности теплоизоляционно-конструкционного 49 стеклокомпозита за счет применения техногенного сырья

Выводы по главе 52

Глава 2. Методы исследования и характеристика используемых 55 материалов

2.1. Методы исследования свойств и структуры материалов 58

2.2. Применяемые материалы 69 2. 2.1. Составы стеклобоя 69 2.2.2. Техногенные сырьевые материалы 70 Выводы по главе 70

Глава 3. Влияние состава и свойств компонентов пенообразующей 71 смеси на процессы структурообразования теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита

3.1. Выбор состава матрицы теплоизоляционно-конструкционного 71 стеклокомпозита

3.2. Интенсификация процессов порообразования и их влияние на 73 формирование структуры теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита

3.2.1. Влияние гранулометрического состава и дисперсности стеклобоя 75 на процесс вспенивания и размер пор теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита

3.2.2. Вспенивающая способность теплоизоляционно- 83 конструкционного стеклокомпозита в зависимости от дисперсности газообразователя

3.3. Роль процессов кристаллизации в формировании пористой 87 структуры пеностеклокристаллических материалов

3.4. Свойства пеностеклокристаллических теплоизоляционных 90 материалов в зависимости от содержания кристаллической фазы

3.5. Оптимизация режима вспенивания теплоизоляционно- 99 конструкционного стеклокомпозита

Выводы по главе 107

Глава 4. Повышение эффективности пеностекла за счет нанесения 109 защитно-декоративного покрытия

4.1. Разработка методов нанесения защитно-декоративных покрытий 110 на поверхность теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита

4.2. Формирование теплоизоляционно-конструкционного 114 стеклокомпозита плазмохимическими методами

4.2.1. Термодекорирование силикатных строительных материалов и 115 изделий

4.2.2. Исследование фазовых превращений и макроструктуры 131 плазменных покрытий

4.3. Фазовый состав и структура покрытия и его контактного слоя с 133 пеностеклом

4.4. Механизм формирования защитно-декоративного покрытия на 135 поверхности теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита

4.5. Технико-эксплуатационные свойства теплоизоляционно- 142 конструкционного стеклокомпозита с защитно-декоративным покрытием

4.5.1. Технико-эксплуатационные показатели 143

4.5.2. Строительно-технические показатели 149

4.6. Сравнительная оценка теплофизических и экономических 152 показателей теплоизоляционных материалов

4.7. Расчет ожидаемого экономического эффекта 155

Выводы по главе

156

Глава 5. Технико-экономическое обоснование внедрения 158 теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита в промышленности строительных материалов и строительном комплексе

5.1. Области применения и условия эксплуатации теплоизоляционного 158 материала на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием

5.2. Расчет толщины изоляции ограждающих конструкций зданий для 162 Белгородской области

5.3. Технологический регламент производства теплоизоляционно- 170 конструкционного стеклокомпозита

5.4. Стандарт предприятия на производство теплоизоляционно- 181 конструкционный стеклокомпозит

Выводы по главе 187

Общие выводы по диссертации 188

Список литературы 189

Приложение 1. Анализ патентных данных 211

Приложение 2. Протокол испытаний теплоизоляционно- 215 конструкционного стеклокомпозита на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием по лицевой поверхности

Приложение 3. Акт испытаний теплоизоляционно-конструкционного 216 стеклокомпозита на основе пеностекла с плазмохимическим покрытием по лицевой поверхности

Приложение 4. Акт и протокол испытаний теплоизоляционно- 217 конструкционного стеклокомпозита на основе пеностекла с плазмохимическим покрытием по лицевой поверхности ИЦ «БГТУ-сертис»

Введение

Экономия топливо - энергетических ресурсов при транспортировке энергоносителей и минимизация тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений одна из важнейших задач с которой сталкиваются ученые развитых и развивающихся стран мира. Для решения этой актуальной задачи необходимо применение качественных теплоизоляционных материалов в гражданском и промышленном строительстве, а также в системах транспортирования тепла. Нехватка эффективных экологически чистых теплоизоляционных материалов приводит к большой потере тепловой энергии [1]. Потери тепла при эксплуатации жилых и производственных зданий составляют около 30% годового потребления первичных топливоэнергетических ресурсов в России. Через стены жилых помещений теряется до 45% тепла, через оконные и дверные проемы - 33%, через чердаки и полы - 22% тепловой энергии [2].

На сегодняшний день рынок теплоизоляционных материалов практически ограничен всего тремя типами изделий: пенопластами (главным образом, пенополистиролом), газобетонами и минеральными ватами. По многим эксплуатационным характеристикам данные теплоизоляционные материалы не удовлетворяют нынешние потребности строителей. Кроме того, многие материалы на основе неорганических соединений не обладают декоративными свойствами и поэтому при использовании их в строительных конструкциях требуются дополнительные отделочные работы, что приводит к повышению себестоимости зданий и сооружений. Основными недостатками таких материалов (минеральная вата, композиционные материалы на основе стекловолокна, полистирола, вспученных вулканических пород, керамзит) является низкая прочность, высокое водопоглощение. К тому же некоторые материалы являются горючими и токсичными [3,4].

Актуальность работы. Качественно новые требования к проектированию и строительству современного жилья привели к разработке

государственной программы и нормативно-технических документов, направленных на решение задачи энергосбережения и снижения эксплутационных затрат в строительстве. Повышенные требования к тепловой изоляции зданий ставят перед проектировщиками новые задачи по повышению теплозащитных свойств, применяемых в строительстве, изоляционных материалов [5,6].

Приемлемым способом реконструкции существующих и строительства новых зданий может служить утепление ограждающих конструкций с внешней стороны высокоэффективными теплоизоляционными материалами. Большинство из используемых в настоящее время утеплителей при монтаже на наружной поверхности ограждающих конструкций требуют нанесения на их поверхность защитных и декоративных слоев (отделка поверхности защитно-декоративными штукатурными растворами, облицовка керамической плиткой и т.д.). Большое разнообразие предлагаемых фасадных систем из-за нетехнологичности и высокой стоимости отделочных работ при монтаже теплоизоляции не позволяют их широко использовать в строительстве [7]. Использование теплоизоляционного пеностекла как наиболее эффективного утеплителя на сегодняшний день сдерживают отсутствие налаженного производства и относительно высокая стоимость.

Поэтому разработка наиболее эффективного стенового теплоизоляционно-конструкционного композита нового поколения, обладающего защитно-декоративными свойствами и высокими теплоизоляционными, прочностными и эксплуатационными характеристиками при снижении себестоимости производства и монтажа, является одной из важнейших задач, стоящих перед промышленностью строительных материалов. Цель работы. Разработка высокоэффективного теплоизоляционно-конструкционного материала нового поколения на основе техногенного сырья с высокими теплоизоляционными и прочностными характеристиками для ограждающих конструкций зданий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать стекломатрицу, пригодную для получения теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с высокими теплоизоляционными и прочностными характеристиками.

2. Определить влияние состава и свойств компонентов пенооб-разующей смеси на процессы структурообразования теплоизоляционно-конструкционного материала.

3. Разработать способы повышения эффективности теплоизоляционно-конструкционного композита за счет армирования стекломатрицы высокодисперстными кристаллическими наполнителями и нанесения плазмохимическими методами защитно-декоративных покрытий на поверхность материала.

4. Исследовать физико-химические особенности формирования покрытий на поверхности теплоизоляционно-конструкционного композита и установить структурно-морфологические особенности композиции композит-покрытие.

5. Провести расчет технико-экономических показателей производства теплоизоляционно-конструкционного материала с защитно-декоративным покрытием.

6. По результатам исследований разработать нормативные документы на теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит.

Научная новизна работы заключается в следующем: —сформулированы методологические принципы получения высокоэффективных теплоизоляционно-конструкционных материалов нового поколения, заключающиеся в том, что процессы структурообразования стеклокомпозитов и их физико-механические характеристики определяются дисперсностью компонентов пенообразующей смеси, направленной кристаллизацией подложки и прочностью сцепления плазмохимических покрытий с основой;

-— обосновано влияние гранулометрического состава и дисперсности стеклобоя и газообразователя на интенсификацию процессов порообразования и формировании структуры теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита выявлено, что при установленном оптимальном количестве газообразователя 0,9-1,1 мас.% и при удельной поверхности свыше 1000 м2/кг (1240-1270 м2/кг) образуется равномерная мелкопористая полидисперсная структура, снижается на 25-30% температура вспенивания пенообразующей смеси, повышается прочность на 30-35%, снижается водопоглощение на 40-50% (при нанесении плазмохимических покрытий на лицевую поверхность пеностекла), тем самым увеличивается долговечность стеклокомпозита;

— установлен характер структурообразования теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита на основе отходов обогащени, заключающийся в оптимизации гранулометрического состава и дисперсности стеклобоя и газообразователя, их взаимном влиянии на вспенивающую способность пенообразующей смеси и протекание процессов кристаллизации при вспенивании, что обусловлено высокоразвитой системой пор и состоянием поверхности. За счет содержания в составе отходов ММС железистых кварцитов Бе (II) и постоянного отношения СаО/ТеО + Ре203 , обеспечивается необходимая вязкость для вспенивания и вводится необходимое количество железа и кальцийсодержащих компонентов. Это обеспечивает оптимизацию протекания реакций при синтезе теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с заданными свойствами;

—предложен механизм формирования плазмохимических покрытий на поверхности теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита на основе стеклобоя и техногенного сырья, заключающийся в по-вышении адгезии покрытия и подложки за счет диффузии и формирования между ними контактного слоя, имеющего стеклокристаллическую структуру. Прочность контактного взаимодействия в системе «покрытие-

стеклокомпозит» определяется диффузией расплава в поверхностный слой подложки на глубину до 200 мкм с частичной кристаллизацией стеклофазы. Установлено, что оптимальная толщина плазмохимических покрытий на поверхности теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита составляет 800-1200 мкм.

Практическая ценность работы.

Обоснована возможность использования техногенного сырья в качестве компонента пенообразующей смеси при производстве высокоэффективного теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита, что позволило расширить сырьевую базу и уменьшить количество стеклобоя в составе по сравнению с традиционным пеностеклом, а, следовательно, снизить его себестоимость.

Установлено повышение прочностных характеристик

теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита при нанесение плазмохимических покрытий.

Разработаны технологический регламент, стандарт предприятия и рекомендации по использованию техногенного сырья для получения теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита , технико-

экономическое обоснование эффективности их производства и внедрения результатов исследований.

Использование теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита позволит расширить область применения пеностекла и снизить затраты при монтаже наружной изоляции зданий за счет отсутствия дополнительной стадии - нанесения штукатурного слоя на поверхность пеностекла для защиты от атмосферного воздействия.

Использование теплоизоляционно-конструкционного стеклокомпозита с плотностью ниже 250 кг/м3 в качестве наружной изоляции зданий позволит снизить нагрузку на фундамент, а следовательно, облегчит конструкцию фундамента и снизит материалоемкость в строительном комплексе.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах:

Международная студенческая Интернет-конференция «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007 г.; Региональная научно-практическая конференция «Молодые ученые - науке и производству», Старый Оскол, 2007 г.; Международная научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», Белгород, 2007; Научно-техническая студенческая конференция, посвященная 50-летию БГТУ им. В.Г. Шухова, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007 г.; VI Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2007 г.; Выставка «Ресурсо- и энергосбережение», Б ел ЭКСПОЦЕНТР, 2007 г.; Доклад на Научно-технической конференции, посвященной 50-летию БГТУ им. В.Г. Шухова, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007 г.; Международная научно-практическая конференция «Эффекивные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», Липецк, 2007 г.; Международная научно-техническая Интернет-конференция «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2008 г.; Международная научно-техническая Интернет-конференция «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010 г.; Международная научно-техническая Интернет-конференция «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации», БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012 г.;

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 4 в издании, рекомендованных ВАК, в том числе и монографии.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, описания материалов и методик исследования, экспериментальной части, общих выводов, библиографического описания литературных источников 180 наименование. Работа изложена на 187

страницах машинописного текста, включающего 52 таблицы, 49 рисунков и 4 приложений.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследований; основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор по теме диссертации.

Проведен анализ использования теплоизоляционных материалов из различного сырья, их эксплуатационные характеристики, достоинства и недостатки. Примером материала, структура и свойства которого являются чрезвычайно перспективными для решения широкого спектра задач по теплоизоляции как высокотемпературных промышленных объектов и трубопроводов, так и жилых зданий и помещений, является теплоизоляционно-конструкционный стеклокомпозит.

Проанализированы виды и свойства материалов для внешней облицовки