Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение нормативных показателей теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий определяет высокий объем использования ячеистых бетонов при строительстве. Их широкая номенклатура позволяет достичь современных требований по теплоизоляции в совокупности с необходимыми прочностными характеристиками. П ри этом с позиции экономической эффективности целесообразным является использование неавтоклавных ячеистых композитов.
Наряду с высокими теплоизоляционными свойствами, неавтоклавный ячеистый бетон, как правило, характеризуется невысокой прочностью каркаса и моноразмерной пористостью. Указанные недостатки возможно компенсировать, с одной стороны, использованием активных модифицирующих компонентов, в том числе наноструктурированных, способных повысить несущие характеристики матрицы композита, а с другой – комплексной пори-зацией системы, что обеспечит формирование гетеропористой ячеистой структуры бетона с пониженной плотностью.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова (договор № А -16/12, 2012–2014 гг.); РФФИ (договора № 14-33-50495, 2014 г.; № 14-43-08020, 2014–2016 гг.).
Степень разработанности темы. В настоящее время существует значительное количество работ, посвященных повышению эффективности производства и применения неавтоклавных ячеистых бетонов, главной целью которых является улучшение эксплуатационных свойств композитов при с охранении их теплозащитной способности. Для повышения прочностных свойств ячеистого бетона рядом авторов предложено использование композиционных вяжущих – тонкомолотые цементы (ТМЦ) или вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), а также модифицированных вяжущих, в с оставе которых присутствуют активные компоненты различного состава и генезиса. Улучшение теплоизоляционных свойств ячеистых композитов связано с применением современных эффективных пено- и газообразующих агентов, а также с их комплексным (совместным) использованием.
В р аботах, выполненных ранее, обоснована целесообразность использования наноструктурированного модификатора (НМ) силикатного состава при производстве материалов автоклавного твердения. Однако возможность его использования в качестве модификатора матричной и пористой структур неавтоклавных ячеистых пеногазобетонов на основе цемента в комплексе с активированным алюминием не рассматривалась.
Цель и задачи работы. Разработка неавтоклавного теплоизоляционного пеногазобетона с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплекса порообразователей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– обоснование возможности использования наноструктурированного модификатора силикатного состава как стабилизатора структуры ячеистобетон-ных смесей;
– анализ особенностей фазо- и структурообразования, физико-механических свойств модифицированного вяжущего;
– изучение свойств активированного алюминия как газообразующего компонента с позиции комплексной поризации смеси, а также особенностей формирования макро- и микроструктуры материала;
– разработка составов и изучение свойств теплоизоляционного пеногазо-бетона неавтоклавного твердения с применением наноструктурированного модификатора;
– подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.
Научная новизна. Предложены принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения, заключающиеся в регулировании процессов формирования гетеропористой структуры и каркаса ячеистобетонной смеси, а также интенсификации фазо- и структурообразования цементирующего вещества за счет использования наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплексной поризации. В процессе получения пены НМ заполняет пространство между пузырьками, что приводит к закупорке каналов Плато-Гиббса, следствием чего является повышение устойчивости пенной структуры во времени и объеме. Это способствует увеличению вязкости пены и, соответственно, снижению явления синерезиса, вызывающего осаждение пенного столба. Гомогенизация газообразователя в присутствии наноструктури-рованного модификатора под действием ультразвука способствует интенсификации процессов распределения разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газообразователя, а также повышению стабильности системы (отсутствие расслоения).
Установлен механизм влияния наноструктурированного модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня, заключающийся в выполнении одновременно роли активной пуццолановой добавки – за счет присутствия коллоидного компонента, и субмикронного наполнителя – за счет полидисперсного состава. Кроме этого, активный коллоидный кремнезем осуществляет силификацию C-S-H(I)-геля в цементном камне, что приводит к формированию на его основе кристаллического гидросиликата кальция – суолунита и изменению морфоструктурного строения C-S-H(I)-геля со сменой волокнистого облика на мелкочешуйчатый. Введение наноструктурированного модификатора способствует оптимизации реотех-нологических характеристик вяжущей системы; сокращению сроков схватывания вяжущего; интенсификации процессов фазообразования и оптимизации микроструктуры цементирующего вещества, что обуславливает повышение активности и прогнозируемой прочности вяжущего.
Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазо-бетона с учетом специфики активированного алюминия и наноструктуриро-ванного модификатора, заключающийся в следующем. Высокое содержание активного алюминия, полидисперсный гранулометрический состав и изомет-ричная форма частиц газообразователя обеспечивают интенсивное газовыделение с формированием разноразмерных пор. Это способствует дополнительной поризации пенобетонной смеси на макро- (поровое пространство) и на микроуровне (межпоровое пространство) и приводит к формированию структуры с равномерной полидисперсной пористостью. Замена части цемента на наноструктурированный модификатор, имеющий более низкую плотность и выступающий в качестве стабилизирующего компонента при формировании пеногазомассы, обусловливает стойкость ячеистобетонной смеси, повышение ее пористости и, как следствие, увеличение прироста объема ячеистобетонной смеси при сохранении прочностных показателей бетона.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования активированного алюминия и наноструктурированного модификатора силикатного состава в качестве стабилизаторов структуры пеногазобетонной смеси. Применение комплексной поризации системы, реализованной за счет совместного использования синтетического пенообразователя и активированного алюминия АА-Т/7 в качестве газообразователя, способствует формированию гетеропористой структуры композита. НМ структурирует поровое пространство композита за счет стабилизации пены и равномерного распределения газообразователя в объеме смеси, а также обеспечивает формирование рационального состава новообразований за счет взаимодействия продуктов гидратации цемента с высокоактивной (коллоидной) фракцией модификатора. Все это в совокупности обеспечивает получение ячеистых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик.
Предложен состав модифицированного вяжущего с использованием НМ и установлены закономерности влияния модификатора на прогнозируемые показатели марочной прочности вяжущего на длительный период.
Разработаны составы неавтоклавного теплоизоляционного пеногазобетона с использованием активированного алюминия АА-Т/7 и наноструктурированного модификатора силикатного состава, позволяющие получать изделия с марками по плотности D400, D500; классом по прочности на сжатие B1; теплопроводностью 0,08 и 0,085 Вт/(моС); паропроницаемостью 0,211 и 0,231 мг/(мчПа); сорбционной влажностью 7,1 и 7,5 %.
Предложена технология производства пеногазобетона неавтоклавного твердения и изделий на его основе с учетом технологических особенностей применения комплексной поризации и наноструктурированного модификатора.
Методология и методы исследования. Методология построена на и з-вестной роли модифицирующих компонентов различного генезиса в качестве составляющих формовочной смеси материалов на основе цемента и согласуется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации. Идея базируется на фундаментальных исследованиях влияния состава, степени дисперсности и активности кремнеземистых компонентов на физико-механические характеристики строительных композитов различного назначения. Исследования по изучению состава и свойств сырьевых и синтезированных материалов осуществляли с использованием общепринятых физико-химических и физико-механических методов. Особенности микро- и макроструктуры сырьевых компонентов, вяжущих веществ и пеногазобетона на их основе изучали, применяя оптическую и электронную микроскопию. Для выявления особенностей качественного и количественного состава продуктов гидратации модифицированного вяжущего проводили полнопрофильный рентгенофазовый анализ, основанный на методе Ритвельда.
Положения, выносимые на защиту:
– теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования активированного алюминия и наноструктурирован-ного модификатора силикатного состава в качестве стабилизаторов структуры пеногазобетонной смеси;
- принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с и с-
пользованием НМ силикатного состава и комплексной поризации;
– механизм влияния наноструктурированного модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня;
- расчет прогнозируемой прочности модифицированного вяжущего;
– механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобетона с
учетом специфики НМ и активированного алюминия;
– рациональные составы и технология производства пеногазобетона неавтоклавного твердения с применением наноструктурированного модификатора и активированного алюминия АА-Т/7;
– результаты внедрения.
Степень д остоверности результатов работы подтверждается проведением экспериментальных исследований н а высоком техническом уровне с достаточной воспроизводимостью, реализованных за счет применения с о-временной аппаратурной базы и стандартизированных методов исследований. При проведении испытаний использовалось поверенное и аттестованное оборудование. Установлена сходимость теоретических исследований и экспериментальных данных. Результаты, полученные в работе, согласуются с опубликованными экспериментальными данными других авторов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: Всероссийской научно-практической конференции: «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012 г.); Международной научно-технической конферен-
ции молодых ученых «Исследования и инновации в вузе» (Белгород, 2012 г.); Международных научно-практических конференциях «Строительный ко м-плекс России. Наука. Образование. Практика» (Улан-Удэ, 2012 г.); «Актуальные вопросы образования, науки и техники» (Донецк, 2013 г.); «Наукоемкие технологии и инновации» (Белгород, 2014 г.); «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, 2015 г.); «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2015 г.); Международном молодежном форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2015 г.).
Подана заявка на изобретение (№ 2015156090 от 25.12.2015 г.). Зарегистрировано ноу-хау (№ 20150005 от 15.04.2015 г.).
Внедрение результатов исследований. Апробация разработанных составов и технологии в промышленных условиях осуществлялась на ООО «Эко-стройматериалы» (Белгородская область). Подписаны протоколы о намерениях по внедрению результатов исследований: с ЗАО «Белгородский цемент» – по разработке модифицированного вяжущего; с ООО «Экоэнерготех» – по получению газообразующей суспензии с наноструктурированным модификатором.
Для внедрения результатов исследования разработаны следующие технические документы: Рекомендации по использованию наноструктурированно-го модификатора при производстве неавтоклавного пеногазобетона; Рекомендации по использованию активированного алюминия АА-Т/7 в качестве газообразователя при получении пеногазобетона; Стандарт организации СТО 02066339-021-2014 «Неавтоклавный пеногазобетон с использованием нано-структурированного модификатора. Технические условия»; Технологический регламент на производство неавтоклавного пеногазобетона с наноструктури-рованным модификатором.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 – «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Наносистемы и трансфер технологий», магистров по направлению 08.04.01 – «Строительство» профиля подготовки «Наносистемы в строительном материаловедении» в ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 16 научных работах, в том числе 4 работах в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК (3 – в российских рецензируемых научных журналах, 1 – в журнале, входящем в международную реферативную базу данных и систему цитирования Chemical Abstracts).
Личный вклад автора. Автором разработаны теоретические и практические принципы использования наноструктурированного модификатора и активированного алюминия при получении теплоизоляционного пеногазобето-на. Установлен характер влияния наноструктурированного модификатора
силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня. Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобе-тона с учетом специфики НМ и особенностей компонентов комплексной по-ризации. Разработаны составы неавтоклавного пеногазобетона. Проведена апробация и оценка технико-экономической эффективности внедрения пено-газобетона.
Структура и о бъем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включающего 36 таблиц, 57 рисунков, списка литературы из 228 наименований, 13 приложений.