Модификация автоклавного газобетона смесями ультра- и нанодисперсных добавок ХАЗЕЕВ ДАМИР РАДИКОВИЧ

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Состояние вопроса 14

1.1. Основные проблемы применения ячеистых и легких бетонов в современном строительстве 14

1.2. Роль структурообразования в формировании свойств материалов 17

1.3. Повышение физико-технических характеристик композиционных материалов за счет комплексной модификации 20

1.4. Современные пенобетонные и газобетонные материалы и изделия 29

ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования 35

2.1. Характеристики исходных компонентов 35

2.1.1. Характеристики и свойства портландцемента 36

2.1.2. Характеристики и свойства извести 37

2.1.3. Кварцевый песок (шлам) 38

2.1.4. Характеристики и свойства микрокремнезема 39

2.1.5. Характеристики и свойства метакаолина 40

2.1.6. Характеристики и свойства дегидратированной глины 41

2.1.7. Характеристики и свойства молотого доменного гранулированного шлака 42

2.1.8. Суспензия алюминиевой пудры 43

2.1.9. Требования к воде 44

2.1.10. Дисперсия углеродных нанотрубок 44

2.2. Методы исследований 46

2.2.1. Физико-механические исследования 46

2.2.2. Физико-химические исследования структуры газобетона 48

2.3. Выводы по главе 2 51

ГЛАВА 3. Модификация силикатного газобетона ультра- и нанодисперсными добавками 53

3.1. Оценка влияния водных дисперсий многослойных углеродных нанотрубок на физико-механические свойства газосиликата 53

3.1.1. Выбор оптимального способа введения водных дисперсий многослойных углеродных нанотрубок в газобетонную смесь 54

3.1.2. Подбор оптимальной концентрации многослойных углеродных нанотрубок в газобетонной смеси 56

3.2. Влияние микрокремнезема на физико-механические свойства газосиликата 62

3.3. Влияние метакаолина на физико-механические свойства газосиликата 67

3.4. Влияние дегидратированной глины на физико-механические свойства газосиликата 71

3.5. Влияние молотого доменного гранулированного шлака на физико механические свойства газосиликата 73

3.6. Модификация газосиликата автоклавного твердения комплексной добавкой на основе углеродных нанотрубок и активного минерального компонента 75

3.7. Выводы по главе 3 81

ГЛАВА 4. Физико-химические исследования модифицированного автокалавного газобетона 83

4.1. Исследование газобетона модифицированного дисперсиями углеродных нанотрубок 83

4.2. Структура и свойства газобетона модифицированного комплексной добавкой на основе МУНТ и АМД 89

4.3. Заключение по главе 4 98

ГЛАВА 5. Опытно-промышленное внедрение комплексной модифицирующей добавки 100

5.1. Разработка технологической схемы введения комплексной модифицирующей добавки 100

5.2. Экономическая эффективность производства автоклавного газобетона, модифицированного комплексными добавками 103

5.3. Опытно-промышленное внедрение технологии применения комплексной модифицирующей добавки 112

5.4. Выводы по главе 5. 117

Заключение 119

Список литературы

• Роль структурообразования в формировании свойств материалов
• Характеристики и свойства микрокремнезема
• Выбор оптимального способа введения водных дисперсий многослойных углеродных нанотрубок в газобетонную смесь
• Структура и свойства газобетона модифицированного комплексной добавкой на основе МУНТ и АМД

Введение к работе

Актуальность. В настоящее время большинство разработок в области легких бетонов ячеистого строения направлено на получение изделий с пониженной теплопроводностью, при сохранении прочностных и структурных параметров, влияющих на долговечность материалов. В то же время актуальным направлением при модификации ячеистых бетонов является создание комплексных модификаторов, способных на основе базовых, традиционных вяжущих и при незначительных изменениях технологии производства направленно влиять на структуру и свойства легких бетонов автоклавного твердения.

Большинство исследователей склоняется к мнению, что одним из перспективных является использование комплексных модификаторов, позволяющих решить одновременно несколько технологических проблем.

Основными составляющими данного вида модификаторов в настоящее время являются активные минеральные добавки в сочетании с супер- и гиперпластификаторами в виде различных многокомпонентных паст и суспензий, содержащих стабилизированные нано- и ультрадисперсные компоненты. При этом эти добавки, в сочетании с углеродными наносистемами обеспечивают совместимость с вяжущей матрицей в структуре ячеистого бетона, кроме того они способны стабилизировать свойства многокомпонентных добавок при хранении во времени.

Такие комплексные модификаторы, включающие ультра- и нанодисперсные системы позволяют направленно формировать прочную структуру при сохранении основных требуемых характеристик ячеистого бетона. В тоже время, несмотря на многочисленные работы, описывающие структуру и свойства вяжущих матриц, модифицированных ультра- и нанодисперсными системами, до сих пор не установлен механизм воздействия на их структуру комплексных добавок. Знание механизмов структурообразования и возможность его направленного регулирования позволит создавать силикатные ячеистые бетоны автоклавного твердения с заранее заданными свойствами за счет возможности управления формирующейся структурой, обуславливающей характеристики, свойства и особенности работы материала в конструкции.

Диссертационная работа выполнялась в рамках целевых программ и хоздоговорных работ с предприятиями:

1. «Научные основы структурообразования и изучения физико-химических
свойств строительных композиционных материалов на основе ангидритового вяжу
щего, модифицированного ультрадисперсными системами» (2009-2012 годы), про
ект ВНП-Я №1542.

1. «Модернизация научно-исследовательской лаборатории для проведения исследований и внедрения в производство строительных композиционных материалов, модифицированных дисперсными углеродными наносистемами», Ижевск, 2012г. код ГРНТИ 67.09.55, ПСР/М2/Н2.2/ЯГИ.

2. «Повышение физико-механических свойств автоклавного газобетона за счет полифункциональной добавки на основе многослойных углеродных нанотрубок». Хоздоговорная работа по договору №ГиСМ-1-13/Я: Ижевск, 2013-2014.

Таким образом, решение проблемы создания многокомпонентных добавок для модификации структуры и свойств ячеистых бетонов является актуальной и своевременной для России.

В процессе выполнения работы проводились совместные исследования с Вильнюсским техническим университетом при тесном взаимодействии с профессором Ядвигой Керене, результаты которых отражены в разделе 4 настоящей работы. Проводились консультации с доцентом кафедры «ГиСМ» при ИжГТУ имени М.Т. Калашникова – Полянских И.С. Эксперименты и анализ поровой структуры выполнялись совместно с магистрантом Абалтусовой Т.А.

Степень разработанности. Работами, выполненными ранее, обоснована целесообразность применения ультра- и нанодисперсных систем, изменяющие структуру и свойства вяжущих матриц. Однако оценка совокупного влияния нанодис-персных компонентов на основе углеродных нанотрубок и активных минеральных добавок на свойства силикатного газобетона автоклавного твердения на основе портландцемента и негашеной извести не рассматривалась. Также, используя комплексные добавки, содержащие частицы ультра- и нанометрового размера, и комплекс приборов для физико-химического анализа, планируется установить основные способы направленного воздействия на морфологию новообразований силикатной матрицы в межпоровых перегородках при оптимальной концентрации водимых на-нодисперсных систем, их дисперсности и вида поверхностно-активных веществ, что является основной задачей представленной работы.

Цель диссертационной работы. Модификация силикатного газобетона автоклавного твердения (АГБ) многокомпонентными ультра- и нанодисперсными добавками с целью повышения прочности и снижения теплопроводности изделий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- установить возможность улучшения физико-технических параметров АГБ при
его модификации ультрадисперсными добавками техногенного производства
имеющими химическое сродство к минеральному вяжущему и нанодисперсными
добавками в зависимости от способа введения компонентов добавок;

- определить влияние раздельного и совместного способов введения
модифицирующих добавок на основные свойства АГБ;

- исследование физико-механических свойств и структуры АГБ,
модифицируемого разработанной комплексной добавкой (КМД);

- анализ влияния КМД на основе ультрадисперсных частиц и наносистем на
процессы структурной модификации силикатной матрицы газобетона (в частности в
межпоровых перегородках) методами физико-химического анализа;

- опытно-промышленная апробация результатов исследований.

Объект исследования - силикатный газобетон автоклавного твердения, модифицированный ультрадисперсными минеральными добавками и дисперсиями многослойны углеродных нанотрубок.

Предмет исследования - процессы структурной модификации силикатной матрицы и формирование комплекса свойств модифицированных автоклавных газобетонов.

Рабочая гипотеза. Поскольку основными носителями прочности автоклавных газобетонов являются низкоосновные гидросиликаты кальция, то подобранные в оптимальном количестве ультрадисперсные активные минеральные добавки, обладающие пуццоланической активностью, должны связвать большее количество ионов Са²⁺ в объеме газосиликата, тем самым снижая основность новообразований. При этом введенные наноразмерные углеродные частицы, за счет своей высокой поверхностной энергии, адсорбируют на своей поверхности часть ионов Са²⁺ в

процессе формирования каркасной структуры, тем самым способствуя более равномерному перераспределению прогидратированной массы в структуре силикатной матрицы, что в общем должно привести к повышению комплекса эксплуатационно-технических характеристик газобетона.

Научная новизна работы. Разработаны составы комплексных добавок для модификации силикатного газобетона, включающие ультрадисперсные частицы на основе техногенных материалов (тонкомолотого доменного гранулированного шлака или микрокремнезема) и водных дисперсий многослойных углеродных нанотрубок, обеспечивающие за счет синергетического эффекта улучшенные показатели свойств модифицированного газобетона.

Установлен характер влияния на структуру газобетона многокомпонентных ультра- и нанодисперсных добавок за счет их направленного воздействия на морфологию новообразований силикатной матрицы. При этом формируется гетерогенная структура, включающая кристаллогидратные новообразования на основе низкоосновных гидросиликатов кальция в сочетании с аморфными составляющими, обеспечивающая улучшенные эксплуатационные характеристики автоклавного газобетона.

Доказано, что введение в состав газосиликатной смеси ультрадисперсных минеральных добавок в пределах 5-10 % и углеродных нанотрубок в количестве до 0,001-0,005 % от массы вяжущего формирует более однородный по размерам пор и меньшей дефектностью характер поровой структуры, приводящий к улучшению физико-механических свойств на 15-40 % с одновременным снижением коэффициента теплопроводности до 20%.

Теоретическая и практическая значимость работы: Предложены
комплексные модифицирующие добавки, включающие микрокремнезем или
тонкомолотый доменный гранулированный шлак в сочетании с водной дисперсией
многослойных углеродных нанотрубок, использование которых позволяет
разрабатывать конструкционно-теплоизоляционные изделия из газобетона

автоклавного твердения плотностью 540-580 кг/м3 с пределом прочности при сжатии 3,4-3,9 МПа, теплопроводностью 0,087-0,112 Вт/(мС) и коэффициентом конструктивного качества 6,0-6,7 МПа.

При увеличении себестоимости сырьевых компонентов для получения изделий на основе модифицированного силикатного газобетона на 3 % достигается улучшение прочностных характеристик изделий до 30 % при одновременном снижении теплопроводности на 18%, что позволит снизить материалоемкость ограждающих конструкций за счет уменьшения толщины стен на 25% и повышения этажности здания.

Предложена последовательность и технология введения компонентов комплексной модифицирующей добавки при производстве газобетона автоклавного твердения.

Методология и методы исследования. Методологической основой работы являлось роль модифицирующих компонентов различного происхождения в качестве дополнительных элементов бетонных смесей на основе портландцемента. Задачи диссертационного исследования решались с помощью установления зависимостей "состав ячеистобетонной смеси (включая технологические факторы) – свойства газобетона – структура газобетона". Полученные результаты согласуются с ранее опубликованными экспериментальными данными, связанные с темой диссертации.

Изучение свойств и составов сырьевых компонентов ячеистобетонной смеси и КМД проводились с использованием общепринятых физико-механический и физико-химических методов. Изучение макро- и микроструктуры газобетона и сырьевых компонентов проводился с применением портативных и стационарных электронных и оптических микроскопов. Для качественной и количественной оценки продуктов гидратации в газобетоне контрольного и модифицированного составов применялся спектр современного лабораторного оборудования, включающий рентгенофазовый анализ, дифференциально-сканирующую калориметрию, ИК-спектральный анализ, а также анализ элементного состава.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Технология введения многокомпонентных добавок и последовательности их
смешивания с составляющими газобетонной смеси;

3. Результаты исследований эффективности модифицирующих добавок, их оптимального содержания в газобетоне автоклавного твердения;

4. Результаты механических испытаний модифицированной газобетонной смеси и зависимости изменений физико-химических свойств и структуры силикатного газобетона при его модификации многокопонентными добавками.

Достоверность результатов. Степень достоверности результатов обеспечена проведением исследований по стандартным, научно-обоснованным методикам, регламентированным нормативными документами. В процессе набора экспериментальных данных, в работе использовалось поверенное и аттестованное лабораторное оборудование, а также современные высокотехнологичные приборы. Результаты, полученные в диссертационной работе, согласуются с экспериментальной их проверкой при выпуске опытно-промышленных образов изделий.

Апробация работы. Основные научные достижения и результаты экспериментов были представлены на: III Международной конференции «Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства», Каир, 2011; VI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий», Пермь, 2012;18. Международной конференции «18. Ibausil», Веймар, 2012; Научно-технической конференции молодых ученых инженерно-строительного факультета, Ижевск, 2012; Международной научно-технической конференции "Стройкомплекс-2013"; VI Международной конференции "Нанотехнологии в строительстве", Каир, 2014.

Внедрение результатов исследований. Апробация разработанных составов газобетонных смесей модифицированных КМД на основе активных минеральных добавок техногенного происхождения и дисперсий многослойных углеродных нанот-рубок производилась на предприятии ООО "Завод Ячеистого Бетона" филиала "ЗЯБ №822" ФГУП "ГУССТ №8 при Спецстрое России" (г. Ижевск, Удмуртская республика) в рамках хоздоговорной темы "Повышение физико-механических свойств автоклавного газобетона за счет полифункциональной добавки на основе многослойных углеродных нанотрубок". Разработаны рекомендации по изготовлению модифицированного газобетона на имеющихся на предприятии технологических линиях.

Теоретические и экспериментальные положения, изложенные в диссертации применяются в учебном процессе при подготовке студентов бакалавриата в ФГБОУ ВПО "ИжГТУ имени М.Т. Калашникова" по направлению 08.03.01 "Строительство" профилей "Промышленное и гражданское строительство", "Городское строительство и хозяйство", и магистратуры по направлению 08.04.01 "Строительство" профиля

"Строительные материалы, в том числе наноматериаловедение".

Публикации. По теме исследования подготовлено и опубликовано 12 статей и научных работ. Из них 4 в российских рецензируемых научных журналах и изданиях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, 5 приложений и списка литературы, включающей 133 наименований. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 24 таблиц.

Роль структурообразования в формировании свойств материалов

Свойства материала обуславливаются его строением, дефектностью структуры на которую передаются нагрузки и воздействия при эксплуатации материала в сооружении. Поэтому актуальным является возможность запроектировать материал со строением и свойствами, удовлетворяющими конкретным требованиям и условиям эксплуатации.

Направленное структурообразование позволяет создавать материалы с заранее заданными характеристиками и свойствами. Формирование строения и свойств материала начинается с момента затворения вяжущего водой, поэтому гидратация один из важнейших этапов структурообразования.

Общей характеристикой всех гидратационных вяжущих является то, что в результате процесса гидратации, при взаимодействии минерального вяжущего с водой образуется сросток кристаллов новообразований, которые устойчивы при данных условиях твердения. Процессы гидратации и их характеристики в ранних исследованиях оценивали только за счет изучения кристаллической структуры гидратных новообразований, их строения, термодинамических характеристик [16, 17].

Однако, в последствие, с развитием пограничной области науки, такой как физико-химическая механика, которая возникла на границе наук "физической и коллоидной химии", "физики твердого тела",- взгляды на гидратацию измени 18 лись. В итоге процесс гидратации минерального вяжущего сводится к растворению в воде твердой фазы вяжущего с образованием пересыщенного раствора и к выкристаллизовыванию из этого раствора новой фазы, с формированием пространственной структуры твердения, состоящей из кристаллогидратных новообразований.

При формировании конечной структуры на первом этапе между отдельными кристалликами новообразований возникают прочные контакты срастания, которые беспорядочно расположены и обладают искаженной кристаллической решеткой и являются термодинамически неравновесными; на втором этапе кристаллизационных контактов не возникает, происходит обрастание существующего каркаса. При этом для получения структуры повышенной прочности необходимо соблюдение оптимальных условий гидратации, которые способствуют возникновению кристалликов новообразований достаточной величины при минимальных напряжениях. Так как твердение сопровождается напряженно-деформируемым состоянием, связанным с ростом кристаллов, это разрушение перекрывается за счет образования новых контактов срастания [18].

Гидратационное структурообразование, в основе которого лежит формирование пространственных структур твердения, их гидратов, впервые было выделено как особый вид структурообразования применительно к минеральным вяжущим в 50-е годы П. А. Ребиндером и Е. Е. Сегаловой [19, 20]. Они вывели зависимость процессов формирования гидратационных структур от природы и физико-химических свойств исходных компонентов, определив ПАВ как один из первых регуляторов структуроообразования.

Гидратационные структуры твердения, возникающие в дисперсиях минеральных вяжущих, в которых структурообразующим элементом является гидрат, выделяющийся в качестве новой фазы, относят к конденсационным. Научно-обоснованный подход к регулированию гидратационного структурообразования с помощью добавок должен быть основан на знании их роли во всем комплексе коллоидно-химических процессов, обуславливающих образование и локализацию в системе структурообразующей фазы - гидрата. Они играют роль в процессах растворения исходных компонентов, образования порового пространства, выделения из него зародышей гидрата и их роста [21].

По мнению Полака, строение материала - это комплекс развивающихся свойств материала, формирующийся из трех компонентов: 1. Строение материала, зависящее от механического и минералогического состава и не зависящее от геометрических свойств системы; 2. Структура порового пространства, зависящая от геометрических свойств; 3. Структура связей между структурой вещества и структурой порового пространства [22]. Управление формированием структур основывается на механизме и закономерностях кинетики их развития, а также на связях между механическими и другими свойствами на ранних стадиях твердения и свойствами конечного материала [23, 24].

Одним из возможных способов направленного структурообразования в вяжущих гидратационного твердения является использование кристаллических затравок - центров кристаллизации новообразований. В качестве данного вида добавок используют тонкомолотый цементный камень с различной степенью гидратации, введение 1% такого вида добавок способствует снижению расхода цемента на 15% [25].

Целенаправленное структурообразование композитов на основе минеральных вяжущих с использованием природного и техногенного сырья возможно за счет использования комплексных многокомпонентных добавок и композиционных вяжущих, регулирования гранулометрического состава цемента в зависимости от технологии получения материалов.

Направленное структурообразование также возможно за счет работы принципа сродства структур, который позволяет направленно изменять капиллярно-пористую структуру в известковом и цементном камне при совместном применении пластификаторов и минеральных наполнителей с определенной гранулометрией. Одним из важнейших направлений в развитии современной индустрии строительных материалов является применение нанотехнологий, в частности при производстве многофункциональных добавок, позволяющих влиять на основные характеристики конечного продукта [26]. Зарубежные ученые, в том числе Дрекс-лер и прочие, считают, что нанотехнологии позволяют контролировать структуру материала на молекулярном уровне при его получении [27]. Так же основополагающим считается размер частиц нанодобавок, не превышающий 100 нм и их способность придавать материалу новые свойства и функции [28].

Практическая необходимость направленного структурообразования состоит в обосновании технологических приемов воздействия на твердеющую систему с целью управления процессами формирования наиболее оптимальной структуры, следовательно, создания наиболее высоких технических характеристик образуемого твердого тела [29].

Ключевым процессом, влияющим на качество структуры материала, является гидратация вяжущего, условия при которых она протекает. Формирование требуемой структуры возможно при влиянии на процесс гидратации на этапе формирования гидратационных новообразований. Современным способом направленного структурообразования можно назвать применения комплексных модифицирующих добавок, одним из компонентов которых является компонент с нанораз-мерами.

Характеристики и свойства микрокремнезема

В качестве первого приближения для оценки наиболее эффективного способа введения нанокомпонентной добавки была выбрана концентрация многослойных углеродных нанотрубок в количестве 0,01% от массы портландцемента в газобетонной смеси. Количество МУНТ было выбрано исходя из предположения наиболее вероятной концентрации, при которой ожидается эффект от наличия углеродных наночастиц, а также с ориентированием на результаты ранее проведенных исследований [113]. Для обеспечения достоверности полученных результатов исследования, при проведении данных испытаний в лабораторных условиях было изготовлено по 3 серии образцов для каждого анализируемого метода введения дисперсий. Количество испытываемых образцов в серии принималось равной 3. Составы газобетонных смесей и результаты испытаний приведены в таблице 3.1.

Из результатов испытаний было определено, что введение дисперсий углеродных нанотрубок в той или иной степени оказывает влияние на основные ха 56 рактеристики силикатного газобетона автоклавного твердения. При введении дисперсии со шламом произошло изменение плотности газобетона относительно контрольных образцов, что закономерно привело к повышению теплопроводности и прочности образцов на сжатие. Такая же закономерность прослеживается при введении дисперсии непосредственно в смеситель в процессе перемешивания компонентов газобетонной смеси, т.е. наблюдается прямая зависимость характеристик теплопроводности и прочности на сжатие от плотности. Однако, в случае введения УНТ совместно с суспензией алюминиевой пудры положительные эффекты по прочности и теплопроводности наблюдаются независимо от плотности материала. Исходя из полученных данных, был сделан вывод, что наиболее эффективным способом введения дисперсий многослойных углеродных нанотрубок в состав газобетонной смеси является их введение совместно с суспензией алюминиевой пудры с предварительной гомогенизацией в течение не менее 2 минут. Учитывая энергетический потенциал многослойных углеродных нанотрубок, следующим этапом в диссертационном исследовании стояло определение их оптимальной концентрации в составе силикатного газобетона в зависимости от вяжущего компонента.

Исходя из предположения, основанного на многочисленных исследованиях российских и зарубежных авторов [114, 115, 116] о влиянии углеродных нанотру-бок на свойства минеральных вяжущих, при концентрацих меньших, чем 0,01% от массы вяжущего, было принято решение выполнить дополнительные исследования по возможности снижения содержания многослойных УНТ в составе автоклавного силикатного газобетона. При оценке эффекта влияния наночастиц учитывалась не только прочность газобетона, а совокупность результатов по показателям прочности на сжатие в сухом состоянии, коэффициента теплопроводности и плотности экспериментальных образцов. При подборе оптимальной концентрации были изготовлены по 2 серии образцов каждого состава по 3 образца в серии, количество УНТ изменялось в диапазоне от 0,0005% до 0,008% от массы портландцемента. Результаты испытаний образцов на сжатие представлены на рис. 3.1, плотность образцов в зависимости от концентрации УНТ представлена на рис. 3.2, коэффициент теплопроводности – на рис. 3.3.

Средняя плотность образцов силикатного газобетона в сухом состоянии в зависимости от концентрации УНТ. Рис. 3.3. Изменение коэффициента теплопроводности в зависимости от концентрации УНТ по отношению к количеству портландцемента в силикатном газобетоне.

График изменения плотности материала имеет форму схожую с гистограммой прочности, что приводит к выводу о прямой зависимости прочности материала от плотности в присутствии дисперсий УНТ. Изменение коэффициента теплопроводности в абсолютных показателях не столь значительны, однако общая тенденция изменения также соотносится с кривыми испытаний на прочность и плотность.

Беря во внимание, что задача исследования состоит в повышении прочности газосиликата с одновременным снижением коэффициента теплопроводности, что во многом можно достич за счет снижения плотности материала и однородности поровой структуры в совокупности с малой дефектностью, вводился дополнительный критерий оценки – коэффициент конструктивного качества (ККК), который представлен на рис. 3.4. Рис. 3.4. ККК силикатного газобетона в сухом состоянии в зависимости от концентрации УНТ по отношению к количеству портландцемента.

По полученным результатам испытаний, учитывая требования стандартов на предельные граничные показатели по прочности на сжатие, плотности и теплопроводности, сделан вывод, что наиболее эффективное содержание УНТ в газобетонной смеси находится в диапазоне 0,0005 до 0,005 % от массы портландцемента. При этом диапазоне концентрация наблюдается незначительное увеличении плотности материала, повышение прочности и теплопроводности.

Наряду с описанными выше исследованиями, в рамках международного сотрудничества высших школ, были выполнены испытания по определению физико-технических характеристик силикатного газобетона автоклавного твердения в Вильнюсском техническом университете им. Гедиминаса (г. Вильнюс, Литва) с аналогичными водными дисперсиями многослойных углеродных нанотрубок. В данном случае испытания проводились на промежуточной марке автоклавного газобетона по плотности D450. Результаты испытаний представлены в табл. 3.2. Введение дисперсий МУНТ при этом производилось в смеситель в процессе перемешивания компонентов газобетонной смеси. Таблица 3.2 Физико-технические характеристики автоклавного газобетона произведенного с добавкой МУНТ и без добавки (результаты исследований в ВТУ им. Гедиминаса)

Кривые зависимостей характеристик образцов газосиликата изготовленных в В ТУ им. Гедиминаса от содержания углеродных нанотрубок также показали волновой характер изменения показателей с увеличением количества МУНТ в силикатном газобетоне с закономерным увеличением/понижением прочности и теплопроводности при увеличении/понижении плотности образцов. При этом, учитывая максимально и минимально допустимые показатели по прочности на сжатие, плотности и теплопроводности, оптимальные концентрации МУНТ также находятся в диапазоне 0,0005 до 0,001 %, и 0,007 % от массы портландцемента.

Выбор оптимального способа введения водных дисперсий многослойных углеродных нанотрубок в газобетонную смесь

При рассмотрении работы, проведенныхе в области исследования целесообразности применения УНТ с целью улучшения характеристик цементного бетона, в большей степени показывают, что положительное влияние этих добавок в основном зависит от характеристик того или иного типа УНТ: длины волокон, диаметра, дефектности и.т.д. Помимо исходных характеристик, важно еще учитывать дополнительные факторы, такие как: наличие или отсутствие предварительной обработки поверхности углеродного волокна (функционализация), качество диспергирования, стабилизация и распределение УНТ в суспензиях и в формовочных смесях. Последнее обусловлено типом применяемого сурфактанта, водоцемент-ным соотношением и способом (качеством) перемешивания. Учитывая все эти факторы, которые напрямую влияют на качество проводимых экспериментов, результаты, полученные во многих исследовательских работах с применением УНТ, различаются. Например, можно сопоставить результаты, получены в работе [121], в которой изучалось "наноармирование" бетона с применением МУНТ (0,01 об. масс., %). Использовались не функционализированные МУНТ, которые обрабатывались гидротермальным способом в растворе, состоящим из азотной кислоты 69 %-ной концентрации и серной кислоты 98 %-ной концентрации в пропорции 1:1. В случае применения функционализированных МУНТ, механическая прочность на изгиб и на сжатие увеличилась на 5,4 % и 8,4 % соответственно, а в случае применения "чистых" МУНТ прочность на изгиб и на сжатие увеличилась на 20,7 % и 15 % соответственно. Разница относительного изменения прочности в одном и другом случае авторы объясняют несовместимостью функционализиро-ванной поверхности МУНТ с вяжущим компонентом бетона. В работе [122] напротив указано, что механическая прочность на изгиб и на сжатие бетона, изготовленного с добавлением УНТ в количестве 0,5 % (в пересчете на массу цемента), обработанных также в растворе азотной и серной кислот, выше, чем в случае применения необработанных нанотрубок. В исследованиях [123, 124] утверждается, что с целью обеспечения достаточного распределения нагрузки между цементной матрицей и УНТ, должна быть проведена функционализация поверхности нанотрубок перед их применением. Функционализация должна обеспечить образование химической связи поверхности нанотрубок с цементным вяжущим. Химическая связь между функционализированными нанотрубками, имеющими на своей поверхности карбоксильные группы, и продуктами гидратации цемента Ca(OH)2 и C-S-H, была установлена в работе [125] с помощью спектроскопии ИК с Фурье-преобразованием в комбинации с методом нарушенного полного внутреннего отражения (метод FTIR). В этой работе сделан вывод, что образование химических связей способствует увеличению прочности бетона на изгиб и на сжатие.

Сопоставление результатов исследований, связанных с повышением технических характеристик цементного бетона путем применения нанотехнологий, в частности допирование бетонных смесей углеродными нанотрубками, а также имеющиеся патенты [118, 126], относящиеся к данной тематике, подтверждает эффективность применения нанотехнологий при изготовлении бетона.

Исследование структуры и свойств автоклавного силикатного газобетона модифицированного дисперсиями углеродных нанотрубок, полученных на технической базе Ижевского государственного технического университета, проводилось совместно с сотрудниками Вильнюсского университета им. Гедиминаса. Для исследования использовались газобетонные смеси автоклавного твердения промежуточной марки по плотности D450. При этом количество МУНТ в газобетонной смеси соответствовало 0,0008% от массы вяжущего для экспериментального образца с маркировкой "1А"; 0,008% - с маркировкой "2А"; 0,002% - с маркировкой "3А" и 0,02% от массы вяжущего для образца маркировкой "4А". Контрольный (бездобавочный) образец в данном случае имел маркировку "КА". Технические характеристики образцов автоклавного силикатного газобетона (АСГ) представлены в таблице 4.1.

Данные результатов испытаний в табл. 4.1 показывают, что технические характеристики образцов газобетона улучшаются с увеличением содержания углеродных нанотрубок. Прочность на изгиб образцов с содержанием МУНТ в количестве 0,002% и 0,02% от массы вяжущего увеличилась на 25,0% и 24,1% соответственно в отношении контрольного состава. Прочность на сжатие образцов также увеличилась на 14,7% и 24,5% с тем же количеством МУНТ. В случае образцов с содержанием МУНТ равным 0,0008% и 0,008% от массы вяжущего, эффект влияния на технические характеристики АСГ оказался значительно меньше. Сравнивая результаты образцов "3А" и "4А" следует отметить что дальнейшее увеличение концентрации МУНТ в образцах не приводит к значительному изменению прочности на изгиб, но увеличивает прочность образцов на сжатие.

Результаты рентгенофазового анализа, представленные на рис. 4.1 показывают, что в процессе твердения газобетонной смеси в условиях автоклавной обработки произошло формование тоберморита. Интенсивность диффракционных максимумов относящихся к тобермориту в случае образцов "2A", "3A", "4A" (рис. 4.1, кривые c, d, e) увеличена по сравнению с соответствующими максимумами контрольного образца "KA", не имеющего в составе МУНТ, и также по сравнению с соответствующими максимумами образца "1A", имеющего небольшое количество УНТ (рис. 4.1, кривые a, b).

Структура и свойства газобетона модифицированного комплексной добавкой на основе МУНТ и АМД

Разработка технологической схемы введения КМД в состав газобетонной смеси основалась на схеме производственной линии завода ячеистых бетонов ООО "ЗЯБ" при ФГУП "ГУССТ №8 при Спецстрое России" (г. Ижевск). Схема разрабатывалась с обеспечением основного условия минимального изменения существующей технологической линии производства АСГ. При производстве, для достижения оптимального соотношения «цена-качество», необходима обязательная автоматизация технологического процесса, причем желательно использовать отечественные разработки автоматизации процесса изготовления газобетонных смесей. Это связано с более жесткими стандартами к дозировочному оборудованию, чем у аналогичных западных систем. Межгосударственный стандарт ГОСТ 10223-97 (Дозаторы весовые дискретного действия. Общие технические требования) определяет обязательные требования к дозировочному оборудованию бетонных заводов, а ГОСТ 8.523-2004 (Дозаторы весовые дискретного действия. Методика поверки) – методику поверки этих устройств. Кроме того государственными стандартами регламентируется погрешность дозирования компонентов газобетонной смеси. Так, погрешность дозирования исходных материалов весовыми дозаторами не должна превышать для цемента, извести, воды, сухих химических добавок, рабочего раствора жидких химических добавок ± 1 %, заполнителей ± 2 %. Погрешность дозирования пористых заполнителей не должна превышать ± 2 % по объему. К тому же большинство используемых ныне отечественных систем автоматического управления технологическим процессом обеспечивают многокомпонентное автоматическое дозирование материалов при производстве газобетонных смесей в соответствии с требованиями стандартов.

Основные требования к системе автоматического управления, применительно к технологической схеме (рис. 5.1): 1) круглосуточный, непрерывный режим эксплуатации; 2) управление технологическими процессами в автоматическом режиме; 3) выполнение заявки оператора в полном автоматическом режиме. 4) многокомпонентное автоматическое дозирование материалов для производства газобетонных смесей, в соответствии с требованиями стандартов; 5) метрологическая аттестация дозировочного оборудования; 6) обеспечение безопасного для людей управления оборудованием, а также необходимых блокировок и защит оборудования во всех режимах управления, в том числе приостановка технологического процесса при возникновении любой аварийной или нештатной ситуации до подтверждения оператором возможности продолжить процесс. Технологическая схема состоит из четырех основных элементов: дозатора вяжущих компонентов (цемента, извести, АМД), дозатора шлама и воды, дозатора суспензии алюминиевой пудры и мобильного смесителя.

Наиболее затратная часть при разработке технологической линии производства газобетонной смеси является устройство силоса и шнекового транспортера для обеспечения автоматической подачи активной минеральной добавки в дозатор вяжущих веществ. Второй затратной частью является перепрограммирование автоматической системы управления технологической линии для обеспечения рекомендуемой последовательности подачи вяжущих компонентов и АМД. В случае, если суспензия алюминиевой пудры приготавливается строго дозировано в мешалке суспензии непосредственно перед каждым замесом газобетонной смеси, требуется дополнительно устройство резервуара для дисперсии МУНТ с генератором ультразвукового излучения периодического действия, для поддержания стабильности твердой фазы дисперсии в водной среде. В этом случае резервуары с водой, ПАВ и дисперсией МУНТ должны быть оборудованы задвижками с пневмоприводом, которые отсекают подачу компонентов в смеситель алюминиевой суспензии. В случае, если суспензия алюминиевой пудры приготавливается заранее в объеме достаточном для обеспечения бесперебойной работы в течении нескольких смен, то дополнительные затраты на устройство резервуара для дисперсии МУНТ не требуется. Дисперсия в таком случае вводится непосредственно в состав суспензии алюминиевой пудры в количестве, обеспечивающее содержание МУНТ при каждом замесе равное 0,001% от количества портландцемента. Для обеспечения однородности распределения компонентов алюминиевой суспензии и МУНТ в объеме резервуара, необходимо устройство низкоскоростного лопастного смесителя.

Цемент хранится в двух силосах. В силосах установлены датчики уровня - 2 шт. (верхний и нижний). Для аэрации цемента предусмотрена подача воздуха от компрессора непосредственно в силос, под которой установлен питатель. Из питателя цемент поступает в дозатор вяжущих компонентов. Аналогичная схема хранения и подачи актуальна для извести и активной минеральной добавки. Все компоненты подаются в дозатор вяжущих в последовательности: АМДПЦИЗВ. Дозатор вяжущих компонентов закреплен на тензодатчиках. Выгрузка цемента, извести и АМД осуществляется при помощи пневмораспреде-лителя вибрационного действия.

Порядок загрузки взвешенных ингредиентов в смеситель следующий: первым подаётся шлам с водой, затем происходит выгрузка вяжущих компонентов и после этого – выгрузка суспензии алюминиевой пудры. Двигатель смесителя должен быть запущен еще до того, как начинается выгрузка. После выполнения загрузки компонентов в смеситель, начинается перемешивание, параллельно с которым в дозаторы загружаются новые дозы компонентов. После выгрузки из смесителя осуществляется новый процесс загрузки.

В главах 3 и 4 показано, что применение комплексных модифицирующих добавок при производстве газобетонов автоклавного твердения позволяет увеличить механическую прочность с одновременным снижением коэффициента теплопро 104 водности без значительного увеличения средней плотности материала. Этот эффект во многом достигается за счет изменения структуры пор: происходит снижение среднеквадратического отклонения размеров пор газобетона, также наблюдается значительное снижение дефектности стенок пор. Учитывая полученные экспериментальные данные, можно получить экономический эффект от производства изделий из модифицированного газобетона по двум направлениям: 1) получать изделия со сниженными показателями плотности и теплопроводности при сохранении требуемой прочности; 2) получать изделия из номинального состава газобетона с повышенными эксплуатационными характеристиками, но с уменьшенными габаритными размерами изделий.

Для определения экономической целесообразности модифицирования газобетона КМД был проведен расчет экономии материальных затрат на производства панелей для домостроения серии 125 из газобетона D550 с рецептурой, утвержденной на предприятии ООО "Завод ячеистых бетонов" г. Ижевск.

Экономия материальных затрат рассчитывалась с учетом сохранения общего количества годового выпуска и отпускной стоимости изделий, но с уменьшенной толщиной панелей из модифицированного газобетона, беря во внимание требования нормативных документов [129, 130]. Для расчета экономической выгоды использовалась формула: