Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 10
1.1 Основные аспекты применения наноразмерных объектов в технологии строительных материалов 12
1.2 Сырьевые материалы для производства ячеистобетонных изделий 16
1.3 Анализ механизмов формирования ячеистой структуры бетонной смеси в зависимости от применяемых модификаторов 27
1.4 Технологические линии изготовления ячеистобетонных изделий 31
1.5 Выводы 37
2 Характеристика применяемых материалов и методы исследования 40
2.1 Характеристика сырьевых материалов 40
2.1.1 Состав и свойства вяжущего и модифицирующих добавок 40
2.1.2 Применяемые порообразователи и вода 42
2.1.3 Особенности получения и свойства нанодисперсных модификаторов и нанокристаллических модификаторов 43
2.2. Анализ состава, микро- и наноструктурных характеристик сырьевых и синтезированных материалов 45
2.3 Методика математического планирования эксперимента 47
2.4 Выводы 53
3 Особенности синтеза цементной матрицы с использованием наноразмерных модификаторов 55
3.1 Технология производства и свойства наноразмерных модификаторов 55
3.2 Размерные характеристики и пористость модифицирующих нанокристаллических компонентов с учетом технологических принципов их получения
3.3 Состав и свойства модифицированного вяжущего в зависимости от вида нанокристаллического модификатора 69
3.4 Микроструктурные особенности и фазовый состав модифицированного цементного камня 77
3.5 Выводы
4 Пеногазобетон с применением комплексного порообразователя : 89
4.1 Разработка способа комплексной поризации с использованием активированного наноразмерного алюминия 89
4.2 Проектирование пеногазобетона в зависимости от состава комплексного порообразователя 96
4.3 Структурно-топологические характеристики теплоизоляционного пеногазобетона 101
4.4 Свойства ячеистого бетона на основе модифицированного вяжущего и комплексного порообразователя ПО
4.5 Структурообразование ячеистых бетонов в зависимости от состава и свойств их исходных компонентов 113
4.6 Выводы 117
5 Технология и технико-экономическое обоснование эффективности производства пеногазобетона 119
5.1 Технологии производства изделий из пеногазобетона на основе комплексного порообразователя 119
5.1.1 Этапы производства нанокристаллического газообразователя и наноразмерных модификаторов 120
5.1.2 Схема производства пеногазобетона неавтоклавного твердения... 121
5.2 Расчет экономической эффективности производства теплоизоляционного неавтоклавного пеногазобетона 127
5.3 Результаты апробации научно-исследовательской работы 130
5.4 Выводы 132
Общие выводы 134
Список использованной литературы 137
- Анализ механизмов формирования ячеистой структуры бетонной смеси в зависимости от применяемых модификаторов
- Особенности получения и свойства нанодисперсных модификаторов и нанокристаллических модификаторов
- Размерные характеристики и пористость модифицирующих нанокристаллических компонентов с учетом технологических принципов их получения
- Структурно-топологические характеристики теплоизоляционного пеногазобетона
Введение к работе
Актуальность. Энерго- и ресурсосбережение является генеральным направлением современной технической политики в области строительного материаловедения. В комплексе мер по энергосбережению возрастают требования к теплозащите ограждающих конструкций и повышению комфортности зданий.
Основным способом снижения энергозатрат является повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Потребляемая в России энергия на отопление зданий, производство строительных материалов и изделий, строительство в 2-2,5 раза превышает ее потребление в развитых странах мира, в первую очередь, за счет меньшего термического сопротивления ограждающих конструкций и больших теплопотерь.
Однако производство эффективного по теплофизическим характеристикам неавтоклавного ячеистого бетона низких марок по средней плотности является проблемным из-за сложности обеспечения стабильной тонкодисперсной ячеистой структуры и высокой прочности, зависящих от рецептурно-технологических факторов. Одним из путей решения данной задачи является разработка принципов проектирования неавтоклавных ячеистых материалов с направленно регулируемыми свойствами и эффективным структурированием на всех размерных уровнях организации матрицы для производства композитов строительного назначения, с заданной гетерогенностью структуры. Именно при использовании таких подходов можно перейти на новый этап производства строительных материалов, изделий и конструкций, отличающихся простотой, мобильностью, экономичностью, высокими эксплуатационными свойствами и конкурентоспособностью изготовляемой продукции, отвечающей требованиям рынка.
Работа выполнялась по тематическому плану г/б НИР № 1.1.07 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» на 2007-2011 гг.; в рамках программы «У.М.Н.И.К.», «СТАРТ-2009» по теме «Оптимизация составов и структуры пеногазобетонов на основе модифицированных вяжущих» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; премии для поддержки талантливой молодежи «Оптимизация состава ячеистого бетона за счет моделирования механизма формирования пористой структуры» (2008 г.).
Цель работы. Разработка теплоизоляционного неавтоклавного пено-газобетона с использованием нанокристаллического модификатора структуры и нанодисперсного компонента комплексного порообразователя.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
— разработка состава вяжущего, структурированного нанокристалли-
ческим модификатором;
- обоснование возможности использования нанодисперсного газооб-
разователя в составе комплексного порообразователя и разработка его со
става;
разработка составов и технологии неавтоклавного пеногазобетона с нанокристаллическими модификаторами структуры и на основе комплексного порообразователя;
разработка критериев и методов оценки оптимизации структуры неавтоклавного пеногазобетона;
подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований.
Внедрение результатов исследований.
Научная новизна. Предложены теоретические основы управления процессами структурообразования неавтоклавного пеногазобетона на основе комплексного порообразователя с нанодисперсным газообразовате-лем (НДГ) и модифицированного вяжущего с использованием нанокри-сталлического корунда (НКМ), заключающиеся в формировании матрицы композита на всех размерных уровнях с использованием, как физико-химических процессов, так и технологических факторов при формировании структуры материала на различных этапах его производства. Разработанный пеногазобетон обладает заданной степенью поризации и стабильной гетеропористой структурой за счет варьирования состава комплексного порообразователя, что обеспечивает более плотную структуру межпоровых перегородок и, соответственно, повышенные технико-эксплуатационные показатели.
Предложен механизм процесса структурообразования цементной матрицы ячеистого композита, заключающийся в модифицировании вяжущего нанокристаллическим корундом (3D-HKM), выступающим в качестве центров кристаллизации и интенсифицирующим рост гидратных новообразований вяжущего правильной призматической и гексагональной формы. Это обеспечивает снижение дефектности микроструктуры, влияющей на прочностные показатели композитов, за счет уменьшения количества негативной (разрывов, щелей, свищей) нано-, микро- и макропористости.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования активированного нанодисперсного алюминия в качестве газообразователя в составе комплексного порообразователя. Характер кинетики газовыделения НДГ позволяет создать гетеропористую структуру при одновременном уплотнении межпористых перегородок за счет давления газа, без нарушения целостности каркаса, предварительно механически поризованного композита. Это позволяет синтезировать теплоизоляционные ячеистые композиты с минимальными усадочными деформациями, повышенными прочностными показателями и сниженным коэффициентом теплопроводности, за счет наличия полидисперсной пористой структуры с размером пор от 0,315 до 1,25 мм.
Установлены основные зависимости, связывающие свойства неавтоклавного пеногазобетона: со свойствами вяжущего; реотехнологическими
характеристиками раствора; соотношением компонентов в комплексном порообразователе; последовательностью введения компонентов. На их основе проведены расчеты топологических параметров системы в целом, подтверждающие оптимизацию состава материала за счет использования комплексной поризации и модификации композита на различных размерных уровнях.
Практическое значение работы. Разработаны составы модифицированных вяжущих на основе тонкомолотого цемента (ТМЦ) с использованием нанокристаллического модификатора - корунда (НКМ), с активностью на 30 % превышающей показатель исходного ТМЦ. Применение ТМЦ с Буя = 400 м2/кг позволит осуществить экономию энергозатрат на помол при достижении требуемой прочности.
Предложены составы комплексного поризатора на основе пенообразователя «Пеностром» и нанодисперсного газообразователя, позволяющего синтезировать пеногазобетон с заданной гетеропористостью структуры. Расчетно-экспериментальным методом определены точки критической пористости ячеистых систем на основе ЦЕМ I 42,5 Н, ТМЦ и разработанного модифицированного вяжущего.
Установлены зависимости газовыделения от минералогического состава цемента. Использование данных зависисмостей при прогнозировании производственных рецептут позволяет регулировать газовыделение и кинетику вспучивания композита и соответственно степень поризации структуры.
Предложены составы пеногазобетона на основе комплексного поро-образователя с НДГ и модифицированного вяжущего с НКМ, позволяющие получать ячеистые изделия с плотностью 300-500 кг/м3, пределом прочности на сжатие 1,5-2,3 МПа, теплопроводностью 6,05-0,07 Вт/м-С.
Получены закономерности изменения свойств теплоизоляционных ячеистых композитов и эмпирические зависимости, позволяющие дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора в отдельности, а также в их совокупности на изменение системы «состав -свойства» для использования при проектировании производственных рецептур смесей и прогнозировании их физико-механических свойств.
Предложена технология пеногазобетона, позволяющая осуществить внедрение разработанных составов, как при строительстве нового производства, так и при модернизации существующих предприятиях по производству ячеистых неавтоклавных бетонов.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Экостройматериалы» Белгородской области. Полученная партия материала была использована при строительстве малоэтажного дома в п. Новосадовый. Внедрение технологии проводится при финансировании в
рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве ячеистого бетона с механо-химической поризацией разработаны следующие нормативные документы:
рекомендации по применению наноразмерного поризатора в технологии пеногазобетонов;
стандарт организации СТО 02066339-002-2010 «Теплоизоляционный пеногазобетон с модифицирующими нанокомпонентами»;
технологический регламент на производство теплоизоляционных пеногазобетонных блоков.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе: при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов изделий и конструкций» специализации «Наносистемы в строительном материаловедении»; магистров по направлению «Строительство»; при переподготовке специалистов в рамках контракта с ПС «Роснанотех» № 1 /10 от 11.01.2010 г.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на Международном форуме «Ломоносов - 2008, 2010» (Москва, 2008, 2010); Научно-практической конференции «НТТМ -путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2008); III—V Академических чтений РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (Белгород, 2008-2010); Международных форумах по нанотехнологи-ям ГК «Роснанотех» (Москва, 2008, 2009); Всероссийском съезде производителей бетона, (Москва, 2009); Всероссийских молодежных инновационных конвентах (Москва, 2008, Санкт-Петербург, 2009); «Сели-гер-2009», смене «Инновации и техническое творчество» (Тверская область, 2009).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 19 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в центральных рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ. На состав и технологию пеногазобетона подано две заявки на патент № 2008142460 и № 2009116787, приоритет от 28.10.2008 г. и 05.05.2009 г. соответственно.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 38 рисунков и фотографий, списка литературы из 147 наименований, 12 приложений.
Анализ механизмов формирования ячеистой структуры бетонной смеси в зависимости от применяемых модификаторов
Получить ячеистый бетон, удовлетворяющий по всем прочностным и теплоизоляционным показателям, можно при правильном проектировании состава бетона и приготовлении бетонной смеси. При определении состава ячеистого бетона необходимо обеспечить его заданную плотность и наибольшую прочность при минимальных расходах порообразователя и вяжущего вещества. При этом структура ячеистого бетона должна характеризоваться равномерно распределенными мелкими порами правильной изометричной формы [65].
Плотность ячеистого бетона и его пористость зависят главным образом от расхода порообразователя и степени использования его порообразующей способности. Некоторое влияние на них оказывают температура смеси и количество воды, принятое для затворения смеси [21 - 25].
В настоящее время по компонентам смеси и технологиям изготовления ячеистобетонных изделий проводится большое количество экспериментов, о чем свидетельствуют патентные данные (приложение 1).
Вяжущие, применяемые при производстве неавтоклавных ячеистых бетонов. По мнению авторов [27, 30] по виду вяжущего различают следующие виды ячеистых бетонов (табл. 1.1): - на основе цемента (портландцемент по ГОСТ 10178-85 (не содержащий добавок трепела, глиежа, трассов, глинита, опоки, пеплов), содержащий трехкальциевый алюминат (С3А) не более 6 % для изготовления крупноразмерных конструкций на цементном или смешанном вяжущем) - пенобетон и газобетон; - на основе известкового вяжущего (известь негашеная кальциевая — по ГОСТ 9179-77, быстро и средиегасящаяся, имеющая скорость гашения 5— 25 мин и содержащая активные CaO+MgO более 70 %, «пережога» менее 2 %) - пеносиликат и газосиликат; - на основе магнезиального вяжущего — пеномагнезит и газомагнезит; - на основе гипсового вяжущего - пеногипс и газогипс, а также слан-цезольные, шлакощелочные, фосфогапсовые, жидкостекольные и др. В таблице 1.1 представлены наиболее часто применяемые вяжущие для производства различных типов поро бетона [58 — 60]. Таблица 1.1— Виды вяжущих, применяемых для производства поробетонов Вид вяжущего Свойство, обуславливающее эффективность применения Аббревиатура Гипсовое вяжущее вещество Сокращение сроков схватывания ГВВ Известковое вяжущее вещество Улучшение удобоукладываемости, сокращение сроков схватывания, обеспечение быстрого химического связывания воды ИВВ Магнезиальное вяжущее вещество Сокращение сроков схватывания МВВ Гидравлические вяжущие вещества: - быстротвердеющи й- портлан дцемен т Сокращение сроков схватывания БТЦ -сульфатостойкий портландцемент Предотвращение сульфатной коррозии ССП -белый портландцемент Придание цвета бетонной смеси БЦ -цветной портландцемент Сокращение сроков схватывания ЦЦ -тапонажный портландцемент Обеспечение высокой прочности ТЦ
Гипсоцементопуццолановое вяжущее вещество Сокращение сроков схватывания Высокий выход смеси и плотности раствора и смеси, что приводит к повышению водонепроницаемости гцпв Проанализировав данные можно сделать вывод о том что большинство вяжущих мало эффективны при производстве теплоизоляционных поробето-нов.
Новейшая история ячеистых бетонов на основе цемента и различных добавок началась в начале XX века и отмечена изобретением шведского архитектора А. Эриксона технологии получения искусственного камня с близкими к дереву характеристиками [43].
Несколько позднее в Дании стали внедрять новые технологии-пенобетона. А в 30-х годах были предложены способы получения ячеистых бетонов на основе извести и молотого кварцевого песка (в зависимости от способа порообразования получили названия газосиликат и пеносиликат) с последующей автоклавной обработкой формованных изделий [45].
Для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения в качестве вяжущего применяют цемент марки не менее 400. При этих условиях достигается в короткий срок необходимая устойчивость ячеистой массы до ее тепловлажно-стной обработки [26].
Вяжущие низкой водопотребности (ВНВ) и тонкомолотые многокомпонентные вяжущие (ТМВ) или еще их называют цементы (ТМЦ), так же были опробованы при получении ячеистых бетонов. Применение их в технологии неавтоклавного ячеистого бетона, создаёт предпосылки для экономии цемента. Сравнительный анализ результатов исследований позволяет заключить, что физико-механические показатели ячеистого бетона на ВНВ и ТМВ практически не уступают свойствам материала на основе портландцемента. В тоже время усадочные деформации несколько выше, что связано, по-видимому, с высокой дисперсностью ВНВ, ТМВ и ТМЦ [33, 123].
Повышение физико-механических показателей бетонов на основе ВНВ можно объяснить улучшением их структурных характеристик [19].
В целом, использование ВНВ, по мнению авторов [20] в значительной степени позволяет: - дополнительно на 15-25 % снизить водопотребность смесей по сравнению с традиционным цементом; - при необходимости отказаться от энергоемких термо- и термовлаж-ностных обработок бетона или существенно сократить их продолжительность; - резко (на 50-70 %) сократить расход цемента; - значительно повысить качество ячеистого бетона. Наполнители и модификаторы для ячеистого бетона можно разделить на неорганические (различные тонкомолотые как активные, так и относительно химически инертные компоненты) и органические (как правило различного рода пластификаторы).
Среди неорганических наиболее широко распространены кремнеземистые компоненты, применяемые для ячеистых бетонов в качестве наполнителей: - песок по ГОСТ 8736-93, содержащий Si02 (общий) не менее 90 % или кварца не менее 75 %, слюды не более 0,5 %, илистых и глинистых примесей не более 3 %; - зола-унос ТЭС, содержащая Si02 не менее 45 %, СаО не более 10 %, R20 не более 3 %, S03 не более 3 %; - продукты обогащения руд, содержащие Si02 не менее 60 % [13].
Наиболее эффективным и перспективным направлением химизации бетона является применение различных органических и неорганических добавок (табл. 1.2). Вводимые в небольших количествах в состав бетона они способны коренным образом целенаправленно изменять формирование структуры твердеющего бетона, процессы гидратации, полный комплекс физико-технических характеристик [32, 114].
В настоящее время рынок добавок сильно увеличился. Основное направление технического прогресса в области химизации бетона отводится созданию и разработке полифункциональных модификаторов бетона [34].
Особенности получения и свойства нанодисперсных модификаторов и нанокристаллических модификаторов
Анализ современных тенденций внедрения нанотехнологий в технологии производства строительных композитов и наноматериалов показал, что в настоящий момент с одной стороны, необходимо использование достигнутых результатов фундаментальных исследований в прикладных областях строительного материаловедения, а с другой — само развитие нанотехнологий в промышленности строительных материалов невозможно без новых подходов к проектированию и производству композиционных материалов с использованием наноистем.
В последнее время в связи с развитием нанотехнологий и созданием наноматериалов различного состава широкое распространение получило использование наноразмерных добавок для осуществления направленного структурообразования строительных композитов (рис. 3.1). Их можно использовать не только как центры кристаллизации, но и как объекты, изменяющие направление и регулирующие скорость физико-химических процессов в твердеющих материалах, придающие материалам целый ряд принципиально новых свойств,
На сегодняшний день рядом научных школ обоснован тот факт, что программируемое использование наноразмерных и нанокристаллических добавок в композит может обеспечить максимальную эффективность производства материала с повышенными эксплуатационными характеристиками, а армирование цементного вяжущего трубками и стержнями с нанодиаметром может не только повышать эффективность используемого вяжущего, а значительно улучшить долговечность материала.
На основании теоретических предпосылок сейчас в мире с применением нанотехнологий и наноматериалов получают большой спектр материалов для строительной отрасли. Однако необходимо учитывать тот факт, что при использовании наноразмерных добавок в бетон необходимо учитывать как се 57
бестоимость модификатора и соответственно композита на его основе, так и структурное и химико-минералогическое сродство компонентов матрицы вяжущего с модификатором. Только в этом случае можно добиться высоких и, самое главное, стабильных результатов, основанных на фактах.
Из всего выше изложенного можно сделать вывод о том, что основными проблемами, стоящими на пути модифицирования бетона на наноуровне являются: - сохранение реакционной способности и химических свойств нано-размериых модификаторов и добавок в процессе производства строительного композита; - равномерное распределение наноразмерных модификаторов по всему объему материала; - обеспечение стабильности работы наноразмерного модификатора в столь сложнокомпонентной системе как бетон.
Необходимо так же учитывать, что в связи с высокой стоимостью наноразмерных модификаторов, целесообразность их применения в композитах строительного назначения. Зачастую, упрочнение отдельных классов строительных материалов возможно и без применения таких дорогостоящих технологий и материалов. В тоже время, существуют материалы, в которых невозможно упрочнение структуры ни введением арматуры, ни применением технологических переделов, ни введением дополнительных компонентов. К таким материалам относит класс теплоизоляционных ячеистых неавтоклавных композитов, где за прочность всего массива композита отвечают достаточно малые по размерным соотношениям межпоровые перегородки. Так если рассмотреть мелкозернистый бетон и поробетон, то, как видно из рисунка (рис. 3.2 а) упрочнение мелкозернистого бетона возможно за счет качественного улучшения целого ряда факторов, оказывающих влияние на прочность композита в целом.
Так благодаря работам многих авторов [42, 59, 72] уже известно, что бетоны XX в. отличаются своей многокомпонентностью, что серьезно услож 58 няет исследование влияния каждого из компонентов на условия синтеза новообразований, формирование структуры материала в целом. Потому введение в столь поликомпонентную и полиструктурную систему наноразмерных объектов является сложнейшим процессом, связанным с комплексом явлений физического и химического характера. Тем более, что в данной системе на прочность композита оказывает влияние не только вяжущее, но и заполнитель и контактная зона, в отличие от поробетона (рис 3.2 б) где за прочность всего массива композита отвечают достаточно малые по размерным соотношениям межпоровые перегородки, состоящие из вяжущего.
Анализ факторов, влияющих на качество поробетонов неавтоклавного твердения и мелкозернистых бетонов При этом при введении наноразмерного модификатора в столь сложно-компонентную систему весьма трудно отследить весь процесс взаимодействия компонентов на микроуровне, и тем более на наноуровне. Поведение компонентов в системе, зачастую, при введении наномодификаторов становиться не стабильным и необъяснимым. Да и, тем более, что упрочнение на-норазмерными компонентами целесообразно с экономической точки зрения лишь в том случае, когда нет возможности произвести упрочнение композита с помощью традиционных методов.
Так в случае мелкозернистого бетона существует целый ряд вариантов упрочнения как на уровне матрицы вяжущего (рис. 3.2 а), так и контактной зоны и заполнителя, в отличие от поризованного композита, который упрочнить известными способами не всегда возможно. Если проанализировать все возможные пути повышения качества поризованных композитов (рис 3.3), то можно прийти к выводу, что упрочнение таких композитов возможно по двум основным путям: первый - это упрочнение каркаса, состоящего из вяжущего, и второй - улучшение поровой структуры.
Размерные характеристики и пористость модифицирующих нанокристаллических компонентов с учетом технологических принципов их получения
Для получения теплоизоляционного пеногазобетона с однородной пористой структурой, состоящей из полидисперсных пор и не подвергающегося усадочным деформациям, необходимо использование компонентов, которые будут работать как система, в совокупности друг с другом. То есть, в момент, когда смесь с пенообразователем может дать усадку, должен начать свою работу газообразователь. За счет медленного, не скачкообразного газовыделения процессы формирования пористой структуры могут идти одновременно с процессами кристаллизации. При этом процесс газовыделения должен не нарушая структуру, уплотнять межпористую перегородку, смещая частицы вяжущего к уже сформировавшимся порам пены.
В течение 10 минут до начала схватывания в смеси на поверхности частиц вяжущего начинает образовываться аморфный высокоалюминатный гель, по краям которого появляются зародыши эттрингита и синегита. Минералы эттрингит и синегит имеют, соответственно, игольчатое и трубчатое строение (рис. 4.2). Для того, чтобы не происходило их разрушения реакция газовыделения должна протекать равномерно и закончиться до момента их кристаллизации, что обеспечит отсутствие механических нарушений и, как следствие, более высокие прочностные показатели системы в целом. Для разработки ком плексного поризатора ис пользовали пенообразова тель пеностром, который, согласно физико химических свойств и принципа действия, является наиболее приемлемым для работы в цементных системах и может быть совместим с газообразовате-лями. В качестве газообразующих компонентов были рассмотрены как традиционно применяемые добавки, так и активированный наноразмерный газообразователь (НДГ) производства ООО «ТАНТАЛ». Предварительно были изучены свойства нового вида газо-образователя и проведен сравнительный анализ его характеристик с добавками Esapon 1214, Addiment, Морпен и Пеностром.
Анализ распределения по размерам частиц газообразователей различных производителей показал, что большинство добавок данного функционального назначения являются преимущественно монодисперсными (рис. 4.3 ). наноразмерный от типа газообразователя Добавка ПАП-1 состоит в основном из частиц от 5 до 90 мкм, в то время как активированный наноразмерный газообразователь (НДГ) содержит практически тоже количество частиц мельче и крупнее данных размеров. У алюминиевой пудры распределение частиц одномодальное. Наибольшее процентное содержание приходится на диапазон от 16,3 до 81,1 мкм. Наличие одного пика в диапазоне крупных частиц объясняет повышенную (в 2 раза) скорость газовыделения, по сравнению с НДГ. Этот факт может препятствовать эффективному использованию данного вида газообразователя для получения пеногазобетонов.
График распределения частиц по размерам активированного нанораз-мерного газообразователя имеет скачкообразный характер, что связано с полидисперсным составом вещества.
При сравнении газообразующей способности НДГ и традиционно применяемых алюминиевых газоообразователей (рис. 4.4), при одинаковой массе и процентном содержании алюминия, было отмечено, что и объем газовыделения, и характер течения реакции у всех абсолютно разнообразный.
У алюминиевой пудры реакция шла взры вообрази о, было выявлено два основных пика газовыделения в начале реакции (на 4 минуте) и в конце с 8 по 10 минуту. Общее количество выделившегося газа составило 180 мл (табл. 4.2), что больше чем у других газообразователей. Однако, в силу того, что реакция протекает скачкообразно, данный тип газообразователя не пригоден для дальнейших экспериментов, так как не удовлетворяет требованиям материла и будет разрывать структуру, а не формировать равномерно распределенную пористость.
Газобетолайт по сравнению с алюминиевым газообразователем более стабилен, выделяет меньшее количество газа за длительное время, однако у него так же имеется достаточно большой и резкий пик газовыделения, начиная с 7 и заканчивая 9 минутами. За 2 минуты выделяется 50 % общего газа. Это негативно скажется на уже изначально сформированной структуре и вызовет разрушения, щели и свищи, и, в итоге, усадку материала.
Пастообразный алюминий (ПАГ-1) выделяет незначительно большее количество газа в сравнении с Газобетолайтом, однако за меньший промежуток времени и во время прохождения реакции газовыделения можно наблюдать два основных пика. Начало реакции идет достаточно стабильно, а в диапазоне 5-6 мин газообразование достигает 100 мл в минуту, и снова падает. Второй пик - более плавный, но после него реакция прекращается, что неблагоприятно скажется на формировании структуры, и обеспечит крупную рваную пористость.
НДГ показал наиболее стабильное выделение газа, в течение 15 минут. Полидисперсность, широкий диапазон размеров частиц, приводит к тому, что газовыделение НДГ происходит равномерно в течение длительного времени без ярко выраженных пиков.
Исходя из анализа свойств применяемых в настоящее время газообразующих добавок, в качестве контрольной, для проведения дальнейших ис 94 следований, была выбрана ПАГ-1 (рис. 4.5). Это объясняется тем, что по гранулометрии и интенсивности газовыделения она является наиболее типичной, для традиционно применяемых добавок, и максимально приближенной к изучаемому НДГ.
Анализ газообразователей различных фирм производителей позволил выявить, что по сравнению с традиционно применяемыми для получения газобетонов порообразователями, обладающими скачкообразным газовыделением, что приводит к формированию рваных пор в пеногазобетоне, на-нодисперсный алюминий характеризуется равномерным и длительным протеканием реакции без ярко выраженных экстремумов.
То есть, в момент, когда смесь с пенообразователем может дать осадку, начинается газовыделение. За счет медленного, нескачкообразного газовыделения процессы формирования пористой структуры идут одновременно с процессами коагуляции и смачивания, не нарушая структуру, уплотняя смесь. Реакция газоовыделения протекает равномерно, что обеспечивает отсутствие механических нарушений и, как следствие, более высокие прочностные показатели системы в целом.
Для разработки способа комплексной поризации смеси был проведен анализ существующих методов создания ячеистой структуры, более подробное их описание дано в главе 1. Проведенный анализ позволил выявить основную схему получения пеногазобетона с учетом его технологических особенностей (рис. 4.6) Как видно из представленной схемы нашим требованиям по получению высокопоризованмого композита будет отвечать лишь один способ создания ячеистой структуры, это механохимический способ, так как в нем проходит сразу 2 процесса поризации. Как было уже упомянуто в 1 главе, авторами [38] был опробован данный способ, однако использование традиционных га-зообразователей делает его нестабильным и соответственно не пригодным для масштабного производства. Для изготовления неавтоюіавного ячеистого бетона естественного твердения выбираем способ механохимической поризации, включающий перемешивание растворной части, пены, подачи газооб-разователя. При этом пенообразователь подается в смесь одновременно с водой и приготовление пены и смеси происходит совместно в смесителе миксерного типа до полной поризации смеси. Далее в полученную массу при перемешивании подается газообразователь в виде суспензии, состоящей из наноразмерного поризатора с частью воды и перемешивается до полной гомогенизации смеси. Затем смесь заливается в формы, заполняя их не менее чем на 2/3.
В сырьевой смеси для изготовления неавтоклавного ячеистого бетона естественного твердения включающей вяжущее и пенообразователь, в качестве газообразователя вместо алюминиевой пудры вводится высокодисперс 96 ный алюминий активированный. Это связано с особенностями алюминия активированного, а именно его составом и способностью к газообразованию.
Анализируя проведенные лабораторные исследования мы можем сделать вывод о том, что при использовании алюминия активированного в связи с его полидисперсностью и наличием высокодисперсной (наносоставляю-щая) компоненты, процесс газовыделения происходит более равномерно, и такой же обьем газа выделяется в 2-2,5 раза дольше, что обеспечивает отсутствие механических нарушений и, как следствие, более высокие прочностные показатели системы в целом.
Так при введении наноразмерного алюминия в смесь одновременно с пенообразователем основной объем газовыделения приходиться на первые моменты создания пенной структуры. Таким образом, анализ существующих методов поризации смеси при использовании механохимического способа поризации позволил выявить рациональную технологию введения компонентов при формировании ячеистой структуры в цементных системах, которая заключается в постадийном введении всех компонентов в смеситель, корот-косрочном перемешивании и последующем доведении до полной поризации массы.
Структурно-топологические характеристики теплоизоляционного пеногазобетона
Время выдержки массива в формах до разрезки составляет 4,5-6 ч. Распалубка производится на специальном посту, который расположен на выходе из камеры выдержки. После набора массивом распалубочной прочности борта снимаются с поддона и манипулятором переносятся на тележку возврата опалубки, которая перемещается по рельсам, расположенным параллельно линии формования. Поддон с массивом после съема опалубки пе 125 ремещается на резательный комплекс.
Поддон с массивом после съема опалубки перемещается на резательный комплекс. Поддон-вагонетка зажимается, и на массив опускается рама с установленными на ней механизмами продольной и поперечной резки. Массив разрезается колеблющимися струнами одновременно в поперечном и продольном направлениях.
Частота колебаний струн 60-120 двойных ходов в минуту. Амплитуда колебаний струн 14 мм. Подъем и опускание рамы со струнами производится электромеханическим приводом.
Питание приводов резательного комплекса осуществляют от преобразователя частоты, что позволяет изменять частоту колебания струн поперечной и продольной разрезки, снижать скорость опускания и подъема рамы в момент входа струн в массив и при выходе из него, обеспечить точную остановку подъемной рамы в конечных положениях.
После разрезки массива образуются отходы от обрезки боковых сторон, которые собираются на поддоне и сталкиваются толкателем на ленточный конвейер. Отходы от разрезки конвейером подаются в смеситель переработки отходов и разбавляются водой.
После разрезки массива поддон освобождается от фиксации и передается на электропередаточный мост. Мост работает в автоматическом режиме и обеспечивает передачу поддона с массивом на площадку, где происходит твердение в естественных условиях.
Массивы имеют прочность не менее 1 МПа, что позволяет осуществить распалубку изделий захватом, не прибегая к ручной перекладке блоков. Захватом изделия устанавливаются на транспортный поддон и обвязываются упаковочной лентой. Упакованные изделия поступают на склад готовой продукции.
Бортоснастка, снятая с массива, возвращается к началу линии формования, смазывается и манипулятором устанавливается на поддоны, которые после съема с них изделий возвращаются на линию формования.
Для очистки поддонов применяют машину с инерционной фрезой, имеющая шесть пальцев, на которых свободно висят металлические кольца. При вращении фрезы кольца ударяют по очищаемой поверхности поддона и дробят оставшуюся на нем пленку схватившегося цемента.
Смазка на поверхность форм наносится путем распыления ее посредством специальных наконечников (удочек).
Минимальный цикл работы линии определяется временем приготовления и заливки бетона в формы. Цикл работы смесителя составляет 7-8 мин. Для обеспечения времени выдержки в камере для набора прочности изделий, необходимой для распалубки, цикл работы оборудования принят 15 мин. Су-точный выпуск изделий при таком цикле работы составляет 20 м .
Разработанная линия позволяет выпускать изделия с высокой геометрической точностью, качество изделий отвечает самым высоким требованиям. Линия может иметь различную конфигурацию, что позволяет размещать ее в стесненных условиях имеющегося производственного корпуса.
Склад готовой продукции предназначен для приёмки и хранения принятых ОТК изделий до отгрузки их потребителю. Склад представляет собой открытую прямоугольную площадку, оборудованную подъёмно-транспортными механизмами.
Разработанная технологическая схема производства изделий из пенога-зобетона, как уже отмечалось, может включать переделы, связанные с производством нанокристаллических модификаторов. Это позволит не только обеспечить производство модификаторами, но и частично сократить расходы предприятия на электроэнергию.
Материал, полученный в результате проекта, будет обладать рядом свойств выводящих его на современный рынок теплоизоляционных материалов. На первом году развития фирма будет заниматься оказанием таких услуг как: разработка и корректировка составов и технологий на базе уже существующих предприятий. Далее развитие фирмы предполагает запуск собственной технологической линии по уже отработанным составам и технологии. На 2-м году необходимо будет закупить оборудование для малотоннажного производства стеновых блоков из неавтоклавного пеногазобетона и продолжить развитие фирмы, у которой так же основным видом деятельности останется оказание услуг по разработке составов и их корректировке на базе существующих предприятий РФ. На третьем году по уже отработанной технологии на основе полученного патента необходимо будет произвести расширение производства, а так же как вариант рассматривается тиражирование технологической линии.
