Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, несмотря на появление в строительной отрасли материалов на полимерных, полимерцементных и других связующих, рынок потребления бетонов на основе цементных вяжущих является одним из самых динамичных среди рынков строительных материалов. Модернизация технологий в строительстве, обеспечение требуемых показателей теплозащитных свойств, долговечности и надежности работы изделий и конструкций зданий и сооружений предъявляет все более высокие требования к качеству применяемых при их возведении бетонов плотной и пористой структуры. Среди различных видов бетонов значительное место занимают ячеистые бетоны: газобетон автоклавного твердения и пенобетон неавтоклавного твердения. Последний материал, получаемый по пенной технологии, вызывает повышенный интерес ученых и строителей. Это обусловлено менее трудоемкой технологией их изготовления и снижением расходов энергоносителей, что позволяет снизить стоимость продукции на 30-50 % по сравнению с производством газобетона.
К настоящему времени разработан широкий спектр методов и технологий, дающих возможность проводить регулирование структуры и свойств цементных композитов. Среди них одним из эффективных является использование активированной воды затворения. Активированную воду получают путем обработки магнитным полем и другими методами. Результаты исследования ученых и практиков в этом направлении позволяют констатировать, что при этом возрастает прочность бетонных изделий, улучшается удобоукладываемость бетонных смесей. В последнее время отмечается перспективность использования обработки воды с помощью электромагнитного поля и электрического тока. На сегодняшний день технология электромагнитной обработки воды пока не получила достаточно широкого развития. До настоящего времени не установлены факторы, обеспечивающие ясность протекающих физико-химических процессов в ходе активации (обработки) воды затворения электрическим током и электромагнитным полем. В этой связи исследования технологии получения цементных композитов, в том числе пенобетонов, с применением активированной воды, направленных на повышение качества строительных материалов и их конкурентоспособности, являются актуальными. Особый интерес при этом представляют изучение процессов структурообразования, оптимизация составов пенобетонов с применением электрохимически и электромагнито-активированной воды, а также разработка методов исследования и расчета математических моделей процессов активации.
Цель и задачи исследования. Цель исследований заключается в экспериментально-теоретическом обосновании приемов и методов, обеспечивающих улучшение технологических и физико-механических свойств пенобетонов при использовании в качестве воды затворения водных растворов, активированных электрохимическими и электромагнитными методами, с применением математических методов исследований.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи.
Выполнить теоретический анализ и выбрать математическую модель электромагнитных и электрохимических процессов активации природной воды, используемой в качестве воды затворения.
Исследовать влияние магнитного поля и электрического тока, а также их совместного воздействия на структуру и свойства воды, водных растворов с пластификаторами, наполнителями и пенообразователями.
Установить основные закономерности структурообразования цементного камня и пенобетонов с применением активированных водных растворов, используемых для затворения.
Установить зависимости изменения свойств цементного камня и пенобетонов от способа активации воды затворения, количественного содержания пластифицирующих и пенообразующих добавок, наполнителей.
Оптимизировать режим активации природной воды в зависимости от ее исходного физико-химического состояния путем варьирования магнитотропных параметров аппарата активации с помощью системы численного моделирования.
Изучить физико-механические характеристики пенобетонных смесей и затвердевших композитов ячеистой структуры, изготовленных с применением активированных водных растворов.
Разработать рациональную технологию изготовления композитов на цементных вяжущих и активированной воде затворения, обладающих улучшенными физико-механическими показателями, осуществить внедрение технологии при изготовлении пенобетонов и многослойных строительных изделий.
Научная новизна:
экспериментально реализована возможность создания эффективных пенобетонов на основе воды затворения, подвергнутой электромагнитной и электрохимической обработке с помощью аппаратов, позволяющих получать воду с наперед заданными свойствами и контролировать процессы активации.
исследованиями установлено, что воздействие электромагнитного поля и электрического тока способствует изменению структуры воды и водных растворов, определена роль электрохимических процессов.
оптимизированы режимы электрохимической и электромагнитной активации воды затворения композитов на основе цементных связующих с позиций получения пенобетонов с улучшенными физико-техническими свойствами.
установлены количественные зависимости изменения физико-механических и эксплуатационных свойств пенобетонов, приготовленных на активированных воде затворения и водных растворах с пластификаторами, наполнителями и пенообразователями.
предложена модель электромагнитной и электрохимической обработки водных растворов, учитывающая взаимодействие силовых и геометрических характеристик электромагнитного поля с электрохимическими параметрами движущейся среды в этом поле.
Практическая значимость работы:
разработана технология получения пенобетонов на основе электрохими
чески и электромагнитно-активированной воды и водных растворов с примене-
ниєм аппаратов, позволяющих контролировать процессы активации и получать материалы с заданными параметрами.
получены оптимальные составы пенобетонов на основе активированных электрохимическим и электромагнитным способом воды и водных растворов за-творения, содержащих пластификаторы, наполнители и пенообразователи.
получен комплекс данных о влиянии активированной воды затворения, а также добавок различной природы на физико-технические свойства пенобетон-ных смесей и затвердевших материалов.
полученные результаты позволяют решать энергетические, экономические и экологические проблемы, связанные с производством строительных материалов на цементном вяжущем.
методом разностных схем численно реализована начальная задача системы уравнений максвелла.
На защиту выносятся:
параметры процесса активации водных растворов, их влияние на струк-турообразование, показатели качества пенобетонов, оптимальные значения параметров активации;
физико-механические показатели свойств пенобетонов (паст, растворов, бетонов), изготовленных с применением активированных электрическим током и магнитным полем воды и водных растворов;
закономерности влияния режимов обработки электрическим током и магнитным полем на свойства водных растворов и цементных систем (паст, растворов, пенобетонов);
построение управляемой математической модели, учитывающей взаимосвязь силовых и геометрических характеристик электромагнитного поля с электрохимическими параметрами движущейся в этом поле среды.
Личный вклад автора состоит в разработке программы экспериментально-теоретических исследований, получении результатов исследований, их обобщении и анализе.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при изготовлении бетонных изделий на ЗАО «Подольский ДСК» г. Подольска Московской области, пенобетонов и многослойных изделий на ОАО «Завод ЖБК-1» г. Саранска.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях: «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2005 г.); «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2006 г.); «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2007 г.); «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2007 г.); «Сырьевые ресурсы регионов и производство на их основе строительных материалов» (г. Пенза, 2007 г.); «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г. Пенза, 2007 г.); «Расширение жилищной сферы городов» (г. Москва, 2008 г.); «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (г. Пенза, 2009 г.); «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2009 г.); «Биоповреждения и биокоррозия в строитель-
стве» (г. Саранск, 2010 г.); «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2010 г.); «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (г.Москва, 2011 г.); «Экологическая реконструкция и оздоровление окружающей среды» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); «Российским инновациям - российский капитал» (г. Нижний Новгород, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ (в том числе семь статей в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, и монография).
Конкурсы. В 2011 г. на ІХмеждународной специализированной выставке «Мир биотехнологии» получена медаль за разработку «Аппараты для активации воды и создание бетонов с биоцидными свойствами на активированной воде за-творения», а в 2012 г. на Международном форуме «Экологическая реконструкция и оздоровление окружающей среды» диплом за выполнение работы «Бетоны и растворы, стойкие в условиях воздействия различных климатических факторов, на основе воды затворения, активированной электрохимическим способом».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, приложений; содержит 198 листов машинописного текста, 27 рисунков, 35 таблиц, 9 приложений.
Диссертационная работа выполнена на кафедре строительных материалов и технологий Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева.
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. Фомичеву В.Т., к.ф.-м.н. Бояр-кину Д. И., к.т.н. Митиной Е. А. и Матвиевскому А. А. за консультации и помощь, оказанные в ходе выполнения диссертационной работы.
