close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102977

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЧЕРНОСИТОВА ЕЛЕНА С Е Р Г Е Е В Н А
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПЕНОБЕТОН НА
МОДИФИЦИРОВАННЫХ П Е Н О Ц Е М Е Н Т Н Ы Х С М Е С Я Х
05.23.05 - строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Белгород 2005
Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом
университете им. В.Г. Шухова
Научный руководитель
- кандидат технических наук, доцент
Шахова Любовь Дмитриевна
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки
Российской Федерации
Сахаров Григорий Петрович
кандидат технических наук, доцент
Евтушенко Евгений Иванович
Ведущая
(г. Москва).
организация
- ОАО «ВНИИстром им. П.П. Будникова»
Защита состоится «22» декабря 2005 г. в 10^^ часов на заседании
диссертационного совета Д 212.014.01 при Белгородском государственном
технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ, Гк 242.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского
государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.
Автореферат разослан «21» ноября 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Г.А. Смоляго
2006-^
235УГ
11 us/с/
-3-
ОБЩАЯ ХАРАКЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В связи с повышением требований к теплозащитным
свойствам ограждающих конструкций зданий, установленным СНиП П-З79**, большое внимание в нашей стране стало уделяться созданию и
применению в строительстве эффективных утеплителей. К их числу можно
отнести теплоизоляционный неавтоклавный пенобетон. Он сочетает в себе
хорошие
строительно-технические
свойства,
долговечность,
экологическую чистоту, пожарную безопасность и ряд других
преимуществ. Возможность монолитной заливки на фоне тенденции к
увеличению доли монолитно-каркасного домостроения предопределяет
рост потребности в этом материале.
В
настоящее
время
превалирует
промышленный
выпуск
теплоизоляционного пенобетона марки D400, в то время как для
повышения эффективности теплозащиты необходим материал более
низкой плотности. Часто получаемый пенобетон характеризуется низким
уровнем стабильности основных характеристик. Все это обусловливает
актуальность расширения номенклатуры, повышения качества и
увеличения объемов производства теплоизоляционного пенобетона.
Диссертационная работа выполнялась в рамках фанта Т-02-12.2-1582
«Теоретические разработки эффективных пенобетонов с комплексными
добавками с использованием синтетических пенообразователей» и научнотехнической программы Минвуза РФ № 02.01.128 «Разработка новых
видов
пенообразователей
и
малоэнергоемкой
технологии
многокомпонентных пенобетонных смесей и изделий на их основе» на
2003-2005 гг.
Цели и задачи работы. Разработка составов и технологических
приемов получения теплоизоляционного пенобетона с улучшенными
показателями качества на модифицированных пеноцементных смесях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- выявление
факторов,
обусловливающих
устойчивость
пеноцементной смеси до момента затвердевания и формирование заданной
структуры и свойств пенобетона;
- обоснование реологических параметров пеноцементной смеси,
обеспечивающих ее транспортирование с минимальным разрушением
поризованной структуры.
- изучение процессов гидратации, протекающих в пеноцементной
смеси в присутствии пенообразователей различной природы;
- определение основных требований к сырьевым материалам и
добавкам-стабилизаторам структурной прочности пеноцементной смеси и
пенобетона;
- получение
математических
моделей влияния
состава
и
технологических факторов на процесс формирования структуры и
свойства теплоизоляционного пенобетона;
рос. НАЦИОНАЛЬНА/' j
БИБЛИОТЕКА
S3«^i
•э
-4- определение оптимальных режимов твердения пенобетона;
- подготовка
нормативно-технологических
документов
для
реализации теоретических и экспериментальных исследований в
промышленных условиях;
- апробация полученных результатов в производственных условиях и
определение
физико-механических
характеристик
изготовленных
теплоизоляционных пенобетонов.
Научная новизна. Установлена взаимосвязь физико-химических
процессов структурообразования в пеноцементной смеси и основных
физико-механических свойств теплоизоляционного пенобетона.
Выявлено, что равновесное состояние пеноцементной смеси до
момента затвердевания определяется поверхностным натяжением пенной
пленки о и предельным напряжением сдвига цементного раствора
межпоровых перегородок, при этом устойчивость пеноцементной смеси и
формирование заданной структуры и свойств пенобетона обеспечиваются
применением
пенообразователей
с
повышенным
значением
поверхностного натяжения, созданием избыточного давления внутри
воздушных пор и увеличением предельного напряжения сдвига матрищ>1
из цементного раствора.
Установлены закономерности изменения реологических характеристик
пеноцементной смеси: с увеличением сдвиговых усилий в смесях с разным
водосодержанием происходит изменением соотношения между их
упругими и вязкопластичными свойствами, с увеличением скорости сдвига
вязкость пеноцементной смеси уменьшается. При В/Ц свыше 0,6
пеноцементные смеси проявляют свойства вязкоупругопластичного тела,
которое до определенного значения сдвиговых усилий проявляет упругие
свойства, а свыше - пластичные. При В/Ц ниже 0,6 у пеноцементных
смесей преобладают пластичные свойства. Вязкость неразрушенной
пеноцементной смеси зависит от ее воздухосодержания и не зависит от
вида пенообразователя.
Установлен характер влияния вида используемого пенообразователя на
прочность пенобетона, заключающийся в изменении морфологии
гйдратных новообразований за счет разной адсорбционной способности
ПАВ. При взаимодействии цемента с раствором пенообразователя из
природного сьфья наблюдается формирование плотной кристаллической
структуры цементного камня, что объясняется более низкой
адсорбционной способностью высокомолекулярных пептизированных
белков. В присутствии синтетических пенообразователей из-за их высокой
адсорбционной способности происходит формирование гелеобразных
новообразований с размытыми гранями и сеткой из длинных нитевидных
кристаллов, вероятно, кальциевых солей апкилсульфатов. Адсорбция
пенообразователей происходит в основном на алюмосодержащих
-5минералах цемента, поэтому, чем выше содержание в исходном цементе
СзА, тем ниже прочность пенобетона при всех прочих равных условиях.
Получены
графоаналитические зависимости основных физикомеханических свойств пенобетона от состава и способа ввода минеральных
компонентов в смесь, позволяющие прогнозировать свойства материала.
Практическое
значение
работы.
Установлено, что
физикомеханические свойства пенобетонов формируются на ранней стадии
структурообразования и зависят в первую очередь от вида применяемого
пенообразователя. Показано, что прочность пенобетонов на синтетических
пенообразователях на 15-20% ниже, а теплопроводность на 4-5% выше
аналогичных показателей для пенобетонов на пенообразователях из
природного сырья. Улучшить показатели пенобетона на синтетических
пенообразователях возможно путем модифицирования пеноцементной
смеси вводом минеральных добавок и повышения давления внутри
газовых пузырьков.
Предложены составы и способ получения пенобетонов марок по средней
плотности D200, D250, D300, D350 с прочностью от 0,3 до 0,5 МПа,
коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии от 0,053 до 0,09
Вт/(м°С), сопротивлением паропроницаемости от 0,62 до 0,34 мг/мчПа.
Разработан комплект технической документации: технические условия
на теплоизоляционный пенобетон и технологический регламент на его
производство.
Выпущена
опытно-промышленная
партия
теплоизоляционных пенобетонов на синтетическом анионактивном
пенообразователе «Пеностром» с минеральной добавкой на 0 0 0 « С О Т И М
плюс» (г.Ст. Оскол, Белгородской области).
Внедрение результатов
исследования. Технологические параметры и
составы пеноцементных смесей апробированы в ООО «СОТИМ плюс»
(г. Старый Оскол); при техническом содействии автора была выполнена
теплоизоляция кровель из монолитного пенобетона марки по средней
плотности D300.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты
экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном
процессе
(лекционных
курсах,
УНИРС
и
при
выполнении
квалификационных работ) при подготовке инженеров строительного
материаловедения.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения
диссертации вошли в труды Международного конгресса «Современные
технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии»
(Белгород, 2003, 2005); Международных научно-практических конференций
«Ячеистые бетоны в современном строительстве» (С.-Петербург, 2004),
«Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2004),
«Поробетон-2005» (Белгород, 2005); Международной научно-практической
Интернет-конференции «Современные аспекты создания систем менеджмента
-6качества и сертификации в строительстве» (Белгород, 2004); Междунарюдной
научно-технической конференции «Композиционные материалы. Теория и
практика» (Пенза, 2004); Международного научно-практического семинара
«Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в
строительстве» (Днепропетровск, 2005); Всероссийской научно-практической
конференции «Современные тенденции развития строительного комплекса
Поволжья» (Тольятти, 2005).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 15 научных
статьях, в том числе в журналах с внешним рецензированием («Строительные
материалы», «Цемент и его применение»). Получено положительное решение
на выдачу патента Р Ф «Способ получения ячеистого бетона».
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав,
выводов, списка литературы из 168 наименований и приложений. Общий
объем диссертации 252 страницы машинописного текста, включающего 81
рисунок, 53 таблицы, 38 страниц приложений.
На защиту выносятся:
- результаты
исследований
влияния
вида
пенообразователей,
минералогического состава цемента и вида минеральной добавки на
стабильность, реологические характеристики пеноцементной смеси и
формирование структурной прочности теплоизоляционного пенобетона;
- рекомендации по повышению стабильности пеноцементной смеси
путем модифицирования минеральными добавками и изготовления при
избыточном давлении, выбору сырьевых материалов и технологических
приемов для производства теплоизоляционных пенобетонов;
- характер влияния пенообразователей различной природы на
процессы гидратации цемента и отдельных клинкерных минералов;
- математические
модели
зависимости
основных
свойств
теплоизоляционного пенобетона от состава и технологических параметров
приготовления пеноцементной смеси;
- результаты
исследований
строительно-технических
свойств
полученного теплоизоляционного пенобетона;
- результаты промышленной апробации.
СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Опыт применения теплоизоляционного пенобетона в ограждающих
конструкциях свидетельствует, что этот материал позволяет улучшить их
теплозащитные свойства и снизить стоимость возведения. Однако
присущие пенобетону недостатки (низкие прочностные характеристики,
значительные деформации усадки и др.) сужают область его
рационального использования. Среди основных проблем технологии
теплоизоляционного пенобетона можно выделить: выбор сырьевых
материалов;
определение
реологических
характеристик
смеси,
обеспечивающих ее перекачивание к месту заливки без разрушения
■7-
структуры
и значительного уплотнения
пеномассы; обеспечение
устойчивости пеноцементной смеси во времени после заливки с учетом
высоты заливаемого слоя и пористости материалов несущих конструкций.
Это обусловливает необходимость совершенствования, как самого
материала, так и технологии его изготовления.
Значительный вклад в развитие экспериментально-теоретических основ
технологии пенобетона
сыграли работы ученых
Ю.М.Баженова,
А.Т.Баранова,
С.А.Гусенкова,
А.С.Коломацкого,
И.Т.Кудряшева,
А.А.Лаукайтиса,
В.А.Мартыненко,
У.К.Махамбетовой,
Л.В.Моргун,
Ш.М.Рахимбаева,
В.А.Пинскера,
Ю.В.Пухаренко,
Г.П.Сахарова,
Л.Б.Сватовской, И.Б.Удачкина, Т.А.Уховой, Ю.Д.Чистова и др. Их труды
позволили вплотную подойти к созданию теплоизоляционного пенобетона
с
обеспечением
требуемой
прочности,
низкой
плотности
и
теплопроводности.
При
выполнении
работы
применяли
современные
методы
ДТА,
электронную
микроскопию,
анализ
исследований:
РФА,
гранулометрии частиц на лазерном анализаторе Microsizer, а также
методы
математического
планирования
стандартные
методы,
эксперимента и статист№1еской обработки результатов испытаний.
Технологические
приемы
получения
стабильной пеноцементной смеси оп|зеделяли
на основе описания физико-механических
процессов
формирования
поризованной
структуры,
с
помощью
уравнений
термодинамики
и
феноменологической
модели, предложенной Штакельбергом Д.И.
(рис.1). В этой модели мы заменили водную
пленку на пенную и применительно к ней
сформулировали
условия
равновесного
состояния пеноцементной смеси до момента
ее затвердевания:
(! Ж Ж )'
Рис. 1. Поризованная
дисперсная система как
периодическая коллоидная
структура по Штакельбергу
Рт = -Т1,
dz
Р^=Р, + Рх + Рг]
(1),
где Р„. = 2а/г определяет избыточное давление
(давление Лапласа) воздуха внутри пузырька
радиусом г с поверхностным натяжением о;
Р/^ - капиллярное давление пенной пленки;
давление, обусловленное упруговязкими свойствами
цементного раствора, находящегося в межпоровом пространстве: Цс напряжение сдвига, То - предельное напряжение сдвига;
Рг\ - - !к.~К- давление вязкого деформирования, действующего по всей
V dt
поверхности поры; Tlv - объемная вязкость, V- объем, t - время.
-8
Следовательно, до момента затвердевания равновесное состояние
пеноцементной смеси зависит от
поверхностного натяжения пенной
пленки о, а также предельного
напряжения сдвига цементного раство­
ра, находящегося в межпоровом прост­
ранстве. Эти характеристики обуслов­
ливают формирование определенной
структуры и свойств пенобетона.
Результаты исследования поверх­
0,2
0,4
0,6
0,8
ностного натяжения пенообразова­
Кояиентрац!1Я 1 Ю , %
телей различной природы (рис. 2) сви­
^ " ♦ ■ ^ П е н о с т р о м "^"O^^i^^Heonop
детельствуют, что пенообразователи
^ ^ Л ""Унипор
■ ■' X
Морпен
природного происхождения («УниРис. 2. Изотермы поверхнос­
пор», «Неопор») снижают поверхност­
тного натяжения пенообразова­
ное натяжение воды почти в два раза
телей различной природы
меньше, чем синтетические пенообра­
зователи, такие как «Пеностром» и «Морпен». Поэтому пеноцементные
смеси на белковых пенообразователях будут характеризоваться большей
устойчивостью.
В
случае
же
использования
синтетических
пенообразователей при прочих равных условиях за счет уменьшения
работы по образованию новых поверхностей (odA), снижения
избыточного давления внутри пузырька {2а/г), противодействующего
давлению цементного раствора, устойчивость пеноцементной смеси ниже.
Поэтому, при изготовлении пенобетона на синтетических ПАВ
необходимо предусматривать технологические приемы по увеличению
стабильности смеси, которые смогут компенсировать слабую «несущую
способность» самой пенной пленки.
Упругопластичные характеристики цементного раствора, зависят от
водоцементного отношения и природы ПАВ,
присутствующего
в воде затворения.
Молекулы ПАВ оказывают гидрофобизирующее воздействие на частицы цемента.
При низких значениях В/Ц этот эффект
более заметен; с ростом же содержания воды
в системе подвижность цементного теста,
затворенного растворами разных ПАВ,
отличается незначительно, что связано со
—♦—юла
снижением объемной концентрации молекул
— » ~ ра-р п о "Пеностром"
й ра-р п о "Уянпор"
ПАВ в системе. Причем подвижность теста,
Рис. 3. Растекаемость
затворенного
раствором
синтетического
иементного теста в
пенообразователя (ПО) несколько больше, чем
зависимости от вида
с ПО на основе природных белков.
затворителя и В/Ц
!-9-
Результаты определения реологических г^р^аетерястак 1юИодементиой
civteCH (рис. 4), выполненные на капиллярном вискозмйерзе, пошали, что с
увеличением В/Ц смеси происхрД1{г .изменение х^закгера ее течения под
действием различных сдвигевых усилий*
. - \'
1:
//'/^
А
•
Ч 10
i *
i:
0J?
0,29
0,36
0,72
0.17
Налрфконис caHira, Па
^„_В/Ц=<),4
-—А—.В/Ц'*^
*
В/Ц=0,6
•
В/Ц=0,7
s
—г<г
•-"^'СГ*# — -'-<
„'0,22
ада
«,»
*" Наорхжсшвсдвип, №
--»—В/ЦЮ,5
•ВЩ-0,6
ПО «Унипор»
ПО «Пеностром»
Рис 4. Зависимость относительной деформации пеноцементлоИ
смеси от напряжения сдвига
При В/Ц выше 0,6 пеноцементные смеси проявляют свойства вязкоупруго-пластичного теста, при В/Ц до 0,6 у пеноцементных смесей
преобладают пластичные свойства. С увеличением скорости сдвига
вязкость пеноцементной смеси уменьшается.
Показано (табл. 1,
Таблица 1 - Условная вязкость пеноцементных смесей
рис.5),
что условная вяз­
на участке ползучести с вязким течением х\ - const
кость практически неразХарактери­
В/Ц=0,5
В/Ц=0,6
стика
|)ушенной
структуры
ПО
ПО
ПО
ПО
пеноцементной
смеси
«Пеностром» «УнИЛор» «Пеностром» Унипор»
Плотносп.
380
333
524
447
зависит только от упрусмеси, кг/м'
гопластичных
свойств
Условная
8,83
3,9
4,12
8,1
цементного раствора в
вязкость
межпоровом пространст­
ве и его газонаполненности и
не зависит от природы пенооб­
разователя.
Таким образом, при перека­
чивании пеноцементных смесфй к месту заливки создавае­
мый перепад давления должен
О
соответствовать участку тече­
0,6
0,7
0,5
в/ц 0,4
ния практически неразрушен­
ф
ПО Унипор « * ' - - • п о Пеностром
ной стру^стуры, на котором
вязкость постоянна. Для пеноРис 5 Зависимость условной
бетонов с разными значениями
вязкости пенобетонной смеси от В/Ц
10проектной плотности должны соблюдаться свои режимы перекачивания,
при средней плотности пеноцементной смеси 300-400 кг/м^ напряжение
сдвига должно быть 0,3-0,4 МПа, 600-700 кг/м' - 0,5-0,7 МПа.
Исследования кинетики струк5.5
турообразования' пеноцементной
- В/Ц-П.5 ПО Укнпор
5
смесей показали, что на началь­
- В/Ц-О.б ПО Унипор
A
B/IHJ 7 no Унипор
С 4,5
ном этапе этот процесс опреде­
'--■♦-—В/ЦН),3 ПОПсностром/
ляется В/Ц и природой исполь­
H
В/Ц-0,7 ПО Пеиострад!
зуемого пенообразователя. При
одинаковых В/Ц пластическая
я
прочность смесей на белковом
8 2.5
пенообразователе, определенная
I 2
методом выдергивания рифле­
S '.5
ной пластины, выше, чем на ПО
1
t , МИ1
0,5
«Пеностром» (рис.6). Причем
о Мо оs O оO S оf S tоn OоO о —о' ^оr ^оO fоO iоO Oо v о
r . »
— — —
( M M M n r ^ m t n T f
низкая стабильность изготов­
Рис. 6, Кинетика структурообразования
ленных в лабораторных услови­
пеноцементной смеси в зависимости от В/Ц
ях смесей, на синтетическом
пенообразователе, не позволяла
провести эксперимент до конца из-за их осадки.
Результаты физико-механических испытаний пенобетона свидетельствуют о
еще более существенном влиянии природы пенообразователя на конечные
свойства получаемого материала (рис. 7)- при одинаковых значениях В/Ц
материал, полученный на природных пенообразователях, имел более низкие
значения плотности. В то же время примерно равноплотные образцы,
изготовленные на разных пенообразователях, имели разный прочностные
характеристики: прочность пенобетона на синтетическом пенообразователе
была гфимерно на 10-15% ниже, чем на природном. Для объяснения
полученных
различий были проведены
исследования
процессов
гидратации в поризованном цементном камне.
I'
V'>
1,2
(К) Tctm^rfioMПО*Униж<р'
HOTyioffi
прите я н с т Л '
0,5
0,55
0,6
I) f.5
07
О 75
111.6
Дм
В/Ц 0,45
ОJ
О 55
06
|),(.5
0,7
О 7!
Рис. 7. Влияние природы пенообразователя и В/Ц на физико-механические
характеристики пенобетона
-11Методами рентгенофазового и дифференциально-термического аналюа
существенных отличий в качественном и количественном составе продуктов
гидратации цемента в присутствии пенообразователей различной природы
обнаружено не было. На основе микроснимков (рис.8-10), полученных при
исследований процессов гидратации под микроскопом (увел. xlOOO), было
установлено, что активные молекулы синтетических П О адсорбируются на
гидратных новообразованиях и диспергируют их. Значительной диспергации
под воздействием синтетического ПО были подвержены как исходные фазы,
так и продукты гидфатации CjA. Образующийся в их составе Са(0Н)2
представлен рыхлыми кристаллами шарообразной формы (рис. 10а). Это не
позволяет образовать сцепленный гидратный каркас, в отличие от препаратов,
содержащих высокомолекулярные П А В (пенообразователи природного
происхождения), где процессов диспергации гидратных новообразований
было отмечено меньше. При взаимодействии цемента с раствором ПО
«Неопор» наблюдалась плотно сформировавшаяся кристаллическая структура
из игольчатых кристаллов эттрингита. Это объясняется более низкой
адсорбционной способностью высокомолекулярных пептизированных белков.
Выявленные особенности процессов гидратации и морфологии образующихся
кристаллогидратов обусловливают несколько пониженную прочность
пенобетона на синтетических пенообразователях. На основе результатов
кристаллооптического исследования были составлены сравнительные схемы
а) п о «Пеностром»
б) ПО «Неопор»
Рис 8 Продукты и схемы гидратации CjA.
I - ксходиая фаза, 2 • дробление исходной фаш. 3 - ип)ль>шък
новообразования; 4 - су6ми1фосхоп1Гкские продукты тпраташи
5 - гексапжальные кристаллы; 6-реликты CjA,
7-кубические кристаллы.(Увел "1000)
а) ПО «Пеностром»
б) ПО «Неопор»
Рис 9 Продукты и схемы гидратации CjAF
1~исхафаяфаза 2-гщ^атиаяпленка, 3-игольч«тыен»оо6раэовання, 4-шшлинчапматаАчзтыеновообреэовашм,5-дробление
ио(ОД)юй фазы. 6 - гехсап»1а;1ьные новоофазования из раствора
7-куб новообразоваиня, 8-гексап]налыа>1екрисш1лынзерна,
9-переход кубических кристаллов в гексагональные. (Увел "1000)
12взаимодействия клинкерных минералов с
l'^^~^ -
^^jy
растворами пенообразователей (рис.8-10).
Исследования
свойств
теплоизоляционных
пенобетона
показали,
что
коэффициент теплопроводности матери­
ала определяется его макроструктурой,
которая
зависит
от
рецептурно-
технологических факторов, в частности
В/Ц
и
природы
пенообразователя.
В и з у а л ь н ы е наблюдения показали, ч т о
пенобетон
вателях
на
природных
пенообразо­
имеет
более
равномерное
распределение
меньший
пф
средний
по
размерам
размер
ячеек,
в
и
то
время как в пенобетоне на синтетическом
пенообразователе
чаще
встречаются
крупные поры и соединяющие их каналы
в межпоровых перегородках.
Сравнительный анализ эксперимен­
a) n o «Пеностром
Рис 10 Продукты и схемы гнаратации СзЗ
(УветхЮОО)
тальных
и
теоретических
значений
коэффициента теплопроводности пено­
бетона,
проведенный
с
использо­
ванием математических моделей зависимости коэффициента теплопровод­
ности - Я,; B T / М ' ' С , от плотности - уо, г/см^, и размера пор - d, м м ,
пенобетона, полученных на основе уравнения Ч у д н о в с к о г о А . Ф . :
\ = 0 , 0 2 2 ( [ 0 , 8 M g ' ' _ l +0,215(d-0,14)] /оЗз+5уо''-1,68^" +1)
0-14
(2),
'1 То
свидетельствует о б их согласованности (рис. 11).
0J
0,3
0.4
0.5
Плотность, г/смЗ
Рис. 11. Соответствие расчетных и эксперимента­
льных данных по теплопроводности пенобетона
• резупепты iiciv>mHH]i, теоретические значения теплопроводности
для стру1стур ячеистого бетоня / - с размером пор 0,1 мм,
2-е размером пор 2 мм
.D300
.0500
Диаметр пор, мм
»a>D200
■
D700
Рис.12. Влияние размера пор на
теплопроводность
пенобетона
разных плотностей
-13Графические зависимости, представленные на рис 12, отражают
существенное влияние размера пор на теплопроводность пенобетона при
низких плотностях, и еще раз подтверждают необходимость формирования
мелкопористой структуры с равномерным распределением замкнутых пор
для получения материала с высокими теплоизоляционными свойствами.
Требуемый вид пористой структуры и присущие ему теплоизоляционные
свойства можно получить с помощью определенных рецептурнотехнологических
приемов:
водоцементного
отношения,
природы
пенообразователя, вида и количества минеральных компонентов и др.
Для совершенствования технологии пенобетона были проведены
исследования по выбору сьфьевых материалов, в том числе пластифицирующих
добавок и добавок-ускорителей схватывания и твердения, последовательности
смешивания компонентов и режимов твердения материала.
Результаты, полученные на промышленной установке, показали, что одной
из основных характеристик вяжущего при изготовлении пенобетона
является тонкость помола: после замены портландцемента ГЩ500-Д0 на
цемент ПЦ55О-Д0 при прочих равных условиях средняя плотность
пенобетона понизилась с D500 до D400. Это объясняется более высоким
содержанием в цементе ПЦ550 частиц размером до 44 мкм (рис. 13), что
позволило сформировать более однородную мелкопористую структуру
пеноцементного камня с тонкими межпоровыми перегородками.
Изучено влияние минералогического состава цемента на свойства
пенобетона: с повышением содержания СзА в цементе плотность и
прочность получаемого пенобетона возрастает. Причем это влияние
сильнее выражено при использовании синтетического пенообразователя.
При содержании СзА в цементе порядка 12 м а с с % плотность пенобетона
на П О «Пеностром» в 1,5-1,8 раз выше, чем у образцов на белковом
пенообразователе.
1(К1
10
paiMcp ч а с п ш их»
ПЦ550-Д(>
«-
lUOl)
—ПЦ501)-Д0
а)
И)
iOU
p a i i i ^ частиц
•ПЦЗЗОда
If 1(1(1
ты
— — — - ЛШ(К1.Д1)
б)
Рис. 13. Кривые распределения частиц цементов по размерам:
а) - дифференциальное распределение, б) - интефальное распределение
-14Наблюдаемый прирост прочности пенобетона с
увеличением
содержания в цементе CjA меньше, чем прирост плотности. Это связано с
дефектностью структуры получаемого материала (рис. 14).
пеностром
унипор
-
1,4
S
1,2 - - ♦ - т - Н
t
2
4
б
8
10 12
И
Содержание СЗА, мае %
1
1
'
1 0,8
а 0,6
-|
1
-т
1
—, ,_
4 '
1
t
"t'r -H
I
1
1
-t-fS-.1.1-L--
- 1 -.
-tli
1
г- 0,4 •!-0,2
0
■■■1
--г-т-Щ-
1
1
-^■
-«• —
t
1
1
1 ■ I
О - - Т - 7 - - 1 - — t — » - —i
о
1
2
1
41
1
1
6
(-
8
i
10 12 14
Содержание СЗА, мае %
а)
б)
Рис.14. Зависимость плотности (а) и прочности (б) пенобетона на
разных пенообразователях от содержания в цементе СзА
На основе полученных результатов испытаний были сформулированы
требования к вяжущему для изготовления теплоизоляционного пенобетона,
которые включают показатели вещественного и минералогического состава
цемента, тонкость помола и потери при прокаливании.
В
качестве ускорителей схватывания и твердения наилучшие
результаты показали добавки оксидов и гидроксидов металлов,
образующих жесткие основания, ввод которых способствовал увеличению
прочности пенобетона. При этом плотность материала во всех
рассмотренных композициях была за границей плотностей для
теплоизоляционных пенобетонов.
В
качестве пластифицирующих добавок использовали широко
применяемые в технологии тяжелых бетонов суперпластификаторы.
Однако их ввод в пеноцементную смесь, как в рекомендуемых
производителем, так и в минимально необходимых для обеспечения
требуемой подвижности цементного теста количествах не позволял
получить пенобетон с однородной мелкопористой структурой; зачастую
происходило практически полное разрушение пеноцементной смеси.
Выбор минеральных добавок для пенобетона производили с учетом их
влияния на технологические
свойства
пеноцементной смеси
и
характеристики готового материала. Были опробованы армирующие
добавки и добавки-наполнители разных модификаций, содержащие оксид
кремния. Показано, что использованные добавки существенно изменяют
реологические свойства пеноцементных смесей. Оказываемое влияние
обусловлено поверхностными свойствами добавок, размером частиц и
активностью - способностью адсорбировать на своей поверхности ионы
Са^*: активность молотого асбеста составляет 80, микрокремнезема - 60,
15перлита - 50 мг в пересчете на СаО на 1 г добавки. Все исследованные
добавки ускоряют структурообразование пеноцементной смеси (рис. 15) за
счет активного поглощения воды из раствора и армирования ее волокнами
с
большой
поверхностью сцепления, способствуют
повышению
устойчивости и улучшению ее пористой структуры.
П е н о б е т о н н м смесь
— • — б е з добавки
-Ш—с добавкой )•/■ асбеств
молвтого
— й — с добавкой ]% перлита
к р у п н о й фракции
— н — с добавкой 1 % перлита
мелкой фракции
■—ж—с добавкой
микр окремнеэема
— • — с добавкой базальтового
волокна
30
60
90
I
ISO 210 240 270
В р е м а , мин
Рис.15. Пластическая прочность пенобстонных смесей с разными
видами добавок
Результаты определения адсорбции молекул пенообразователей на
частицах различных добавок обусловили необходимость выбора техноло­
гических приемов ввода этих добавок в пеноцементную смесь. Были
исследованы 4 способа ввода добавки, наилучшие результаты показали
способы, последовательность смешения компонентов в которых можно
обозначить соответственно: I Пена + (Ц + Д), I I (Раствор ПО + Д) + Ц.
По результатам исследований предложена минеральная добавка,
наиболее эффективная в условиях Белгородской области. Высокая
активность предложенной добавки способствует образованию повышенного
количества продуктов гидратации на начальных сроках твердения
пеноцементной
смеси,
что
подтверждается
дифференциально-термическим методами анализа.
рентгенофазовым
1
&
о
х
о
С
150
)- — j
100
1
50
О
1-
i^—-|-
-+_
-4--I
—f-1—4-4Т" +—U
2
3
4
5 6
-♦Количество добавки, %
2
3
4
5
6
Количество добавки, %
Рис. 16. Физико-механические характеристики пенобетона, с
минеральной добавкой в возрасте 3 мес. (В/Ц=1,0)
и
-16С течением времени эффект от ввода добавки усиливается: в сравнении с
бездобавочным составом прирост прочноста пенобетона с содержанием
I масс. % предложенной добавки в трехмесячном всорасте составил 19%, а
увеличение ллотноети — 9 % .
Методом
математического
планирования
экспер1{мента
были
подобраны оптимальные составы пеноцементных смесей с предложенной
добавкой.
Основные
характеристики
плана
проведения
эксперимента
представлены^ в табл. 2. При его реализадаи получены математические
модели зависимости физико-механических свойств пенобетона от
количества вводимой добавки и технологических факторов его
изготовления: сцособа авода добавки, В/Ц, природы пенообразователя.
Таблица 2 - Основные характеристики плана эксперимента
Характеристика
Оеновйой уровень
(центр плана)
Интервал варьирования
Нижний уровень
Верхний уровень
Исследуемые факторы
Водоцемснтное отношение X
Количество вводимо^
добавки, Y , масс %
ПО «Унипор» ПО «Пеностром»
0,7 (хо)
0,675 (хо)
1,05 (у„)
0,1 (Лж)
0,6
0,8
0,075 (Jx)
0,6
0.75
0,95 (Ау)
0.1
2,0
Разработаны оптимальные условия ввода добавки для получения более
«качественного» с точки зрения коэффициента конструктивного качества
( К К К ) пенобетона. На разработанные составы и последовательность вводы
сырьевых компонентов получено положительное решение № 2004112123 с
приоритетом от 20.04.2004г.
Исследования по выбору оптимального режима твердения показали,
что более благоприятными режимами твердения пенобетона являются
режимы
без
изотермического
прогрева
с
продолжительной
предварительной выдержкой (1 сут), за время которой цементный камень
межпоровых перегородок успевает набрать достаточную прочность, чтобы
препятствовать расширению воздуха в воздушных порах при нафеве. В
случае использования термосных условий твердения пенобетона подвод
тепла извне не требуется; для ускорения твердения пенобетона будет
достаточно теплоты, выделяющейся лри гидратации цемента. Для
монолитного теплоизоляционного пенобетона, изготавливаемого на
строительной площадке, рекомендуется укрывать поверхность массива во
избежание пересыхания' и охлаждения в процессе твердения.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований были
апробированы на промышленной установке предприятия О О О «Сотим
плюс». С целью повышения стабильности пеноцементную смесь на
синтетическом
пенообразователе
изготавливали
при
избыточном
давлении. Еыяа
выпущена
опытная
партия
теплоизоляционного
-17пенобетона с минеральной добавкой объемом 10,5 м' и разработан
комплект технической документации на теплоизоляционный пенобетон.
Применение
рекомендуемых
технологических
приемов
позволило
получить пенобетон с равномерной мелкопористой структурой и
требуемыми теплозащитными свойствами. Основные показатели выпу­
щенного пенобетона марки D200 следующие: средняя плотность 185 кг/м',
прочность 0,34 МПа, коэффициент теплопроводности 0,053 Вт/м "С,
сорбционная влажность 5,6%. При непосредственном участии и
техническом содействии автора была выполнена теплоизоляция кровель из
пенобетона марки по средней плотности D300; объем выполненных работ
составил около 2000 м'.
Предложен способ улучшения основных физико-механических свойств
пенобетона (прочность, водопоглощение, усадка при высыхании) путем
гидрофобизации его поверхности.
Разработана калькуляция себестоимости полученного материала.
Технико-экономические
расчеты показали эффективность
выпуска
теплоизоляционного пенобетона с минеральной добавкой, в том числе с
гидрофобизированной поверхностью, для монолитной изоляции.
Экономический эффект от
использования
теплоизоляционного
пенобетона в сравнении с другими материалами аналогичного назначения
(газобетон, керамзит, пеноплекс), составляет от 5 до 155 руб на 1м^
возводимой конструкции при обеспечении нормативного значения
сопротивления теплопередаче.
ВЫВОДЫ
1. Разработаны и экспериментально подтверждены технологические
приемы получения теплоизоляционных пенобетоиов естественного
твердения марок по средней плотности от D200 до D350 на
модифицированных пеноцементных смесях, которые основаны на
взаимосвязи
процессов
физико-химического
структурообразования
пеноцементной смеси и физико-механических свойств готового материала.
2. Выявлены
факторы,
позволяющие
повысить
устойчивость
пеноцементной смеси и обеспечить требуемые технологические и техни­
ческие свойства пенобетона со средней плотностью от 200 до 350 кг/м'. Их
реализация заключается в применении высокопрочных цементов с
содержание
трехкальциевого
алюмината
до 6 % ,
использовании
пенообразователей с высоким поверхностным натяжением, создании
избыточного давления в воздушном пузырьке, модифицировании
пеноцементных смесей тонкодисперсными минеральными добавками,
содержащими
активный
микрокремнезем,
обеспечении
условий
транспортирования полученной пеноцементной смеси, предупреждающих
значительное разрушение поризованной структуры.
-183. Выявлен
характер
изменения
реологических
характеристик
пеноцементной смеси. Показано, что соотношение между упругими и
пластичными свойствами смеси зависит от водоцементного отношения и
величины сдвиговых усилий, с увеличением которых вязкость пеноцемен­
тной смеси уменьшается; вязкость неразрушенной пеноцементной смеси
зависит только от воздухосодержаиия и не зависит от вида
пенообразователя. Создаваемый при перекачивании пеноцементных
смесей к месту заливки перепад давления должен соответствовать участку
течения практически неразрушенной структуры, на котором вязкость
постоянна.
4. На основании рентгенофазового, дифференциально-термического и
кристаллооптического методов анализов установлено, что фазовый состав
новообразований в пенобетоне не зависит от природы пенообразователя.
Причиной различия в прочности пенобетонов на пенообразователях
разной
природы
является различие
в
морфологии
гидратных
новообразований. При взаимодействии цемента с раствором природного
пенообразователя наблюдается формирование плотной кристаллической
структуры, что объясняется более низкой адсорбционной способностью
высокомолекулярных
пептизированных
белков.
В
присутствии
синтетических
пенообразователей
происходит
формирование
гелеобразных новообразований с размытыми фанями и сеткой из длинных
нитевидных кристаллов, вероятно, кальциевых солей алкилсульфатов.
5. Сформулированы требования к вяжущему для изготовления
пенобетонов низкой плотности на синтетических пенообразователях:
используемый цемент должен быть бездобавочным, с содержанием
трехкальциевого алюмината до 6 мас.% и высокой дисперсностью
(содержание частиц до 45 мкм не менее 75 мас.%). Минеральные добавки,
используемые для модифицирования пеноцементных смесей с целью
обеспечения требуемых реологических характеристик, должны быть
тонкодисперсными и активными.
6. С
использованием
методов
математического
планирования
эксперимента и статистической обработки полученных результатов были
подобраны оптимальные составы и технологические параметры получения
теплоизоляционных пенобетонов различной средней плотности. Для
пенобетона на белковом пенообразователе оптимальной является область,
соответствующая применению минеральной добавки в количестве 1,2-2
масс.% при В/Ц 0,65-0,75, на синтетическом - 0,8-2,0 масс.% при В/Ц 0,60,68; при способе ввода добавки в раствор пенообразователя, который
характеризуется новизной и значительными отличиями от существующих
аналогов.
Предлагаемый способ производства пенобетона за счет оптимизации
процесса формирования структуры на этапе смешения компонентов
позволяет повысить устойчивость пеноцементной смеси, получить
- 19мелкоднскерсную
гюрисхую
crpyKiypv,
чем
сиыьш
ул>чши1ь
гегиофи'шческие чаракшристики пенобетона,
7 Показано, ню дгы тешюичоляционных пснооеюяов с высоким
расходом цемента наиболее благоприятными условиями твердения
являются режимы без изотермического прогрева с продолжительной
нредвартттельнои выдеряжой, за время которой цементный камень
межпоровьЕч перегородок успевает набрагь достаточную прочность для
сопротивления расширению воздуха в порах при нагреве. Эти условия
обеспечиваются при термосном твердении материала
8 Разработаны техничесюне условия на теплой юляционпый пенобетон
марок по средней шютности от D20() до D35() кг/м^ и технологический
регламент на е ю изготовление. Результаты исследований апробированы
иредприяшем ООО « С О Т И М плюс» (г Старый Оскол) и испольюваны
при утепления кровель объем залитого пенобетона марки D300 за 2004 г
составил около 2000 м^.
Основное содержание диссертации отражено в оиуб.ликовянных
работая:
1 Черноситова Е С 1 Вли5ише пористой структуры пенобетона на его
гешюпроводностъ (Шахова Д Д , XpyjieB И.Б) // Мат. Меяеду1йф. кошрес.
«Соврсметшыс технологии в промьпилонности строительныч материалов и
с(ройиндустрии» Вестник Б Г Т У №5 - Белгород. Изд-во БГГУ, 2003, Ч 1 С. 195-198
2 Черноситова Е.С. Теплоизоляционный пенобстон на синтетичеасих
пеиообраюватслях (Шахова Я Д .
Самборский С А )
// Сб
докл
Междунар иау^шо-праю
конф
«Ячеистые
бетоны
в
современном
строительстве» С. -Петербург, 2004, - С. 17-21,
3 Черноситова Е,С. Получение сверхлегких пенобстонов. (Шахова Л.Д,
(Гамборский С.А) // Тр 3-й Междунар. нау^шо-практ конф «Бсгон и
железобегон в третьем тысячелетии»- Ростов-на Дону Иа-во РГСУ, 2004 Т 2 . - С . 708-710.
4. Черноситова Е.С. Получение пенобстонов на )гидро(})обных песюьч /
(Шахова Л Д Хребтов А Е ) // Тр 3-й Междунар нау»пю-пра!сг конф «Бетон и
железобетон в цжгшя! тысячелегаи»- Ростов-на Дону Изд-во РГСУ, 2004 Т.2 -€.711-714.
5. Черноситова Е С А1ауа.тьиые 11|Х)блелп.1 нормативной базы лснобетонов /
(Шачова Л Д V/ Тр Мелаунар нay^шo-иpaкт Интернет шиф. «Современные
аспекты создагшя систем менеджмента качества и сертификации в
CIроительсгве», - Белгород: Б Г Г У им В.Г Шухова. 2004
6. Черноситова Е.С
Фазовый состав и мшфосгрую-ура це»)еитиош
поризованного камня (Шахова Л Д., Нестерова Л Л ) // Цемент и его
применение-2005 " № 1 -С.60-62
-207 Черяоситова Е С Роль цемента в технологии пенобетона (Шахова Л Д .
Ра\и\/баев 1U М . Гамборский С А 'i //Строительные материалы, 2005. № ! .
с 42-44
8, Чфностова Е С Ускорение теердг'яяя псио<)егонов (Шахова Л Д.) //
Строитеданыематериалы -2005.-№5 - Г Э-5.
Q Псрноси-гова R C Влияние прирсды пенообразователя на }'сгой»пгеость
нешхжгонныч смесей (Шахова Л Д ) // Тр Межда'нар тиучно-лракгической
конф «Поробегон-2005», Белтрод. 2Ш5 - С 119-127
10 Черноситова
ЕС
Применение
л1атсмят1теского
планирования
эксперимента при получсшш теплоидалятшонного пенобетона (Шахова Л Д ) //
В Тр Всероссийской нау^шо-практичелкой коифеернции «CbBpevreHHbie
тснденци! развития строительного комплекса» - Гол1»ятти. 2005 - С. %-98,
11 Черноситова Е С
Схемы гидратации
основньк кчинкериых
минедаттов в присутствии пеноофазоваюлей (Шахова Л Д , Нестерова Л Л ) //
Магсриалы Междунар. научио-практ конф. «Современные технологии в
промышленности стро1!тедьньгс материалов и стройинд\'стрии»- Вестнттк
БГТУ №9. 2005 - С.258-26],
I ? Черноситова Е С Прибор и методик! для изм^)ения реологических
СВ0Й1ЛТ! пенобетоннь/х смесеч в ироизвочственных и полевььх условиях
< Рахи\г6аев Ш М . Шахова Л Д . Твердохлебов Д В.) // "Материалы
Междунар
научно-практ
конф
«Современные
технологии
в
промьнчлсиности строительных материалов и стройиндустрии»: Вестник
БГТУ №9, Белгород - С 291-293.
П Чериосжгопа Е С Реологические характеристики пенобетонных смесей /
ПГ(а^ова Т Д ) И Тр (Г-го Междунар на5'г(но-п1гчкг. семинара «Теория и
щтятт
производства и применения ячеистого бетона в стротггельстве» Днепропетровск, 2(Х)5.
14 Черноситова Е С Влияние минеральной добавки на реологические
'«ipa!<rq:tHCTHKH пснобсттонной смеси (Шахова
Л.Д) // Юбилейная
Мсж,'1уиародная нау^шо-пракг
конф
«Композшщонные строительные
матхфиалы Теория и практика» - Пенза, 2(Ю4.
!5 Чфн(х;итова Е С Способ полрюния ячеистого бетона (Шахова Л Д ,
Храпов А , Е ) / По.10жи(е.'1ьное решение № 2004112 i 23 от 20.04 2004г.
ЧЕРН0СИТ01А ЕЛЕНА С Е Р Г Е Е Б Ш .
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПЕНОБЕТОН НА
МОДИФИЦИРОВАННЫХ Р Е Н О Ц Е М Е Н Т Н Ы Х €ШЖГ:
Авюреферат
диссертация на соискание yicuoii степени
каидщхша технических нлук
05.23 05 строительные материалы и изделия
Иодхакшю в печать _ _ 20(Ъ i Форт^и] 6{)\84/16
Уин-иечл - 1,0 Уч-нздл 1,18 Тираж 100 ло Зша) >. Л'»j/J f
CmiCHaiarto в nmoi рафж! Б П У им В Г' Ш>,'-чо)\1
J0801? . Ikfiopof л л Костюкова U
Р24229
РНБ Русский фонд
2006-4
23395
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 043 Кб
Теги
bd000102977
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа