Введение к работе
Актуальность темы исследования. В строительной индустрии Центральной Африки применяют широкий спектр теплоизоляционных материалов. Одной из стратегически важных задач развития страны является создание и обеспечение строительной отрасли новыми эффективными строительными материалами. Согласно этому в основных направлениях социально-экономического развития страны отражена необходимость использования промышленных и сельскохозяйственных отходов в производстве строительных материалов, расширения ассортимента и объема поставки высококачественной продукции для нужд республики.
В связи с постоянным ростом объемов строительства требуется все больше строительных материалов и изделий. Наблюдается тенденция к снижению массы строительных конструкций, в частности ограждающих, за счет применения легких бетонов на основе органических заполнителей растительного происхождения, характеризующихся низкой плотностью (550 – 650 кг/м) и довольно высокой прочностью (3,0 – 7,0 МПа) при минимальном расходе сырьевых материалов.
К таким строительным материалам относится арболит, состоящий из подобранной смеси вяжущего, органических заполнителей растительного происхождения, воды и различных химических добавок. В качестве органических заполнителей используются отходы деревообрабатывающей отрасли, лесозаготовок и однолетних сельскохозяйственных культур: солома и шелуха риса, отходы сахарного тростника, костра льна, отходы хлопчатника.
В Центральной Африке, испытывающей недостаток в древесине и пористых заполнителях, практически невозможно организовать производство арболитовых изделий на основе отходов деревообрабатывающей отрасли в масштабах, необходимых для дальнейшего развития строительства, поэтому практическое применение находит использование отходов сельского хозяйства и растительности (отходы хлопчатника, сахарного тростника, солома и шелуха риса, измельченные стебли камыша) в качестве заполнителей для получения арболитовых материалов и изделий. В Центральной Африке ежегодно требуют утилизации около 5 млн т отходов хлопчатника и сахарного тростника.
Вышесказанное свидетельствует о целесообразности исследования возможности получения эффективных строительных материалов, в частности арболита различных марок и технологий изготовления, изучения его основных строительно-технических свойств и внедрения в производство в Центральной Африке.
Степень разработанности проблемы. Анализ технической литературы стран СНГ и зарубежья, касающейся теоретических исследований в области арболита на основе органического заполнителя и минеральных вяжущих и технологии изготовления, показал, что вопросами разработки и совершенствования арболита занимались такие ученые, как А. А. Акчабаев, Г. А. Батырбаев, Г. А. Бужевич, И. К. Касимов, Е. Д. Маев, И. Х. Наназашвили, Р. Б. Сироткина, И. А. Рыбьев, В. И. Савин, Н. И. Склизков, А. С. Щербаков и др.
Было установлено, что качество арболита зависит в основном от правильного выбора составляющих компонентов и их соотношения, а также оптимального фиксирования сырьевых материалов как структуры абсолютных изделий.
Известно, что экстрактивные вещества органических заполнителей (древесины, костры льна и др.) замедляют твердение портландцемента. Механизмы влияния экстрактивных веществ заполнителя на структурообразование и затвердение портландцемента и его составляющих (клинкерные минералы C3S и C2A) изучались путем введения моносахаридов (глюкозы, сахарозы и др.) в тесто вяжущего и покрытием последним поверхности заполнителя.
Таким образом, анализ информации отдельных вопросов выбранного направления показывает, что арболит, полученный на измельченных отходах хлопчатника, как теплоизоляционный стеновой материал требует дальнейшего исследования технологии производства и его строительно-эксплуатационных свойств с целью оптимизации параметров состава и способа изготовления и повышения качества строительных материалов и изделий.
Цель работы. Получение теплоизоляционного арболита классов В0,35 – В1 средней плотностью не более 500 кг/м3 на основе измельченных отходов хлопчатника путем совершенствования состава и способа изготовления и изучение его строительно-эксплуатационных свойств для возможного применения в строительстве малоэтажных зданий в странах Центральной Африки.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики подбора состава арболита на измельченных отходах хлопчатника с применением теории искусственных строительных конгломератов и математических методов планирования эксперимента.
2. Оптимальный подбор измельчительных машин для дробления отходов хлопчатника и разработка технологической схемы процесса производства арболита на основе отходов хлопчатника.
3. Изучение механизма влияния экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику роста прочности цемента и его составляющих с добавками и без добавок.
4. Разработка оптимальных составов арболита на измельченных отходах хлопчатника с применением смешанных и комбинированных добавок и наполнителей (отходов промышленности).
5. Изучение влияния способов гидрообработки заполнителя, поризации сырьевой смеси и релаксации после уплотнения арболитовой смеси на физико-механические свойства и оптимизацию технологических параметров изготовления.
6. Экспериментальное изучение физико-механических и деформативных свойств арболита при различных сжимающих напряжениях с целью применения его в ограждающих конструкциях зданий.
7. Разработка технологии изготовления конструкционного арболита на измельченных отходах хлопчатника классов В2 и В2,5 с использованием наиболее эффективных технических решений и нормирование рецептурно-технологических параметров.
8. Технико-экономическая оценка предложенной технологии производства арболита на измельченных отходах хлопчатника при изготовлении стеновых блоков на комбинате строительных конструкций в Бонгоре (Республика Чад).
Объектами исследования выступают цементный камень, цементное тесто и арболит на основе измельченных отходов хлопчатника и композиционном вяжущем – портландцементе, а также смешанные и комбинированные добавки и наполнители (отходы промышленности).
Предмет исследования – воздействие механизма влияния экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику роста прочности цемента и его составляющих с добавками и без добавок.
Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту научной специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия, по теме «Теплоизоляционный материал на основе отходов хлопчатника Центральной Африки».
Теоретическая и методологическая основа исследования. Теоретическую основу исследования составили научные труды российских и зарубежных ученых, внесших заметный вклад в изучение таких научных вопросов, как: твердение цемента, образование структуры арболитовых композитов, направленное воздействие на процессы структурообразования в цементном камне, гидратация цемента, структура воды.
Методологической основой послужили следующие факторы:
- методики подбора состава арболита на измельченных отходах хлопчатника с применением математических методов планирования эксперимента при установлении оптимальных параметров с использованием смешанных и комбинированных добавок и наполнителей (отходов промышленности), а также подбор измельчительных машин для дробления отходов хлопчатника с изучением процесса измельчения;
- влияние экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику роста прочности цемента и его составляющих с добавками и без добавок;
- влияние способов гидрообработки заполнителя, поризации сырьевой смеси и релаксации после уплотнения арболитовой смеси на физико-механические свойства и оптимизацию технологических параметров изготовления;
- изучение физико-механических и деформативных свойств арболита при различных сжимающих напряжениях с целью применения его в ограждающих конструкциях для малоэтажных зданий;
- общенаучные методы теоретического и эмпирического познания, такие как анализ и синтез, наблюдение, сравнение.
Достоверность и обоснованность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным применением общенаучных и специальных методов, используемых в строительной науке; репрезентативным объемом информационного массива, обсуждением основных положений диссертации на конференциях разного уровня, положительной апробацией результатов исследования.
Научная новизна исследования. Основные результаты, полученные автором и составляющие научную новизну, заключаются в следующем:
- научно обоснована и экспериментально подтверждена разработанная методика технологических решений по изготовлению арболита на основе измельченных отходов хлопчатника и новые конкурирующие направления развития технологии его производства;
- опытным путем выявлены механизмы влияния экстрактивных веществ отходов хлопчатника на кинетику твердения цемента и клинкера;
- экспериментально и методом регрессионного анализа разработаны новые составы и способы изготовления арболита на основе измельченных отходов хлопчатника с более высокими прочностными и строительно-эксплуатационными характеристиками;
- обоснованы опытные данные, полученные на образцах из арболита при длительном действии нагрузки, и механизм формирования прочности.
Теоретическое значение диссертационной работы заключается в развитии теории гидратации и твердения портландцемента с различными добавками, выявлении роли структуры и состояния вяжущих в процессе направленного воздействия на свойства арболита на основе измельченных отходов хлопчатника.
Практическая значимость результатов исследования состоит в разработке способа получения арболита на основе измельченных отходов хлопчатника с более широкими функциональными возможностями при снижении материалоемкости и энергоемкости производства. Арболит на основе измельченных отходов хлопчатника и вяжущих систем с различными смешанными и комбинированными добавками отличается меньшей себестоимостью, улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами по сравнению с арболитом, полученным по традиционной технологии.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования нашли практическое применение на Бонгорском комбинате строительных конструкций (письмо № 542/АТМ/А/2011) и в учебном процессе на инженерно-строительном факультете Энамского государственного университета Республики Чад.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Итоги строительной науки» (Владимир, 2010, 2011).
Научные публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, в том числе четыре статьи в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 86 наименований. Общий объем работы – 126 страниц машинописного текста, в том числе 47 таблиц и 34 рисунка.
