Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

ГОРНОСТАЕВА ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ КОМПЛЕКСНЫМИ ДОБАВКАМИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Брянская государственная инженерно-технологическая академия Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Лукутцова Наталья Петровна Официальные оппонентыЦ Логанина Валентина Ивановна доктор технических наук, профессор Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, зав. кафедрой Стандартизация, сертификация и аудит качества - Чернышева Наталья Васильевна кандидат технических наук, доцент Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, доцент кафедры Строительное материаловедение, изделия и конструкции Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Защита состоится У24Ф декабря 2012 года в 14-30 час. на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В.Г.

Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по адресу:

Автореферат разослан У__Ф _______________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Г.А. Смоляго

Актуальность. В настоящее время основным направлением развития производства строительных материалов и изделий является широкое использование техногенного сырья, в том числе и древесных отходов. Это связано с ограниченностью ресурсов, необходимостью дальних перевозок, высокой материало- и энергоемкостью ряда технологических процессов добычи и переработки сырья, в значительной мере сдерживающих развитие промышленности строительных материалов на основе природных ресурсов.

В соответствии с программой развития малоэтажного строительства на территории Брянской области разработана подпрограмма Развитие малоэтажного строительства долгосрочной целевой программы Жилище (2011Ц2015 годы). В рамках данной подпрограммы планируется предоставление субсидий муниципальным образованиям на разработку градостроительной документации и строительство инженерных сетей для малоэтажной застройки. Для этого отрасль производства строительных материалов, изделий и конструкций должна обладать достаточной сырьевой базой.

Получение древесно-цементных композиций, как экологически безопасных для здоровья человека материалов, на основе отходов лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий позволит сохранить земельные угодья, поскольку при этом исключается необходимость их утилизации и отведения площадей под отвалы, а также позволит улучшить экологическую обстановку как г. Брянска, так и Брянской области.

Актуальным является получение древесно-цементных композиций (ДЦК) на основе отходов деревообрабатывающей и деревоперерабатывающей промышленности. Повышение эффективности древесно-цементных композиций на основе древесных отходов возможно путем модифицирования структуры микро- и нанодисперсными добавками.

Диссертационная работа выполнена в рамках фундаментальной НИР по заданию Министерства образования и науки РФ 7.1429.20Развитие теории синтеза и модифицирования наноструктурированных строительных композиционных материалов с разработкой методов оптимизации несущих и ограждающих кон- струкций на их основе; мероприятия 1.4.1 ФЦП Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 2009-2013г по теме Исследование влияния добавок на свойства древесноцементных композиций на базе научно-образовательного центра МГСУ.

Цель и задачи работы. Повышение эффективности древесноцементных композиций на основе использования отходов за счет модификации их структуры микро- и нанодисперсными добавками на основе кремнезема.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- оптимизация размеров частиц древесного заполнителя при помощи компьютерного моделирования;

- изучение состава и свойств древесно-цементных композиций при введении добавки микрокремнезема;

- исследование механизма влияния добавок с наноразмерными частицами кремнезема на физико-технические свойства и структуру древесно-цементных композиций;

- подбор оптимальных составов древесно-цементных композиций с использованием добавок с микро- и наноразмерными частицами кремнезема с последующим изучением характеристик получаемых композитов;

- технико-экономическое обоснование использования комплексных добавок в технологии производства мелкоштучных стеновых блоков из древесно-цементных композиций с применением модификаторов;

- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследования.

Научная новизна работы.

Предложены принципы повышения эффективности древесноцементных композиций путем целенаправленного регулирования их структуры на макро-, микро- и микроуровне за счет оптимизации размеров частиц древесного заполнителя, применения добавок микро- и нанодисперсного кремнезема и их комплексного использования.

Установлено, что за счет оптимизации зернового состава древесного заполнителя с помощью математического и компьютерного моделирования с использованием пакета Model Vision Studium (MvS, версия 4), позволяющего в динамическом режиме проанализировать и подобрать оптимальный дисперсионный состав древесного заполнителя предел прочности при сжатии ДЦК увеличивается на 15-20 % в зависимости от состава древесно-цементных композиций.

Показано, что использование добавок с наноразмерными частицами кремнезема, полученные по золь-гель методу и ультразвуковым способом, приводят к снижению общей площади пор в 5 раз (от 22560 до 4450 см2/г), объема пор в 4 раза (от 0,066 до 0,0см3/г) при некотором увеличении среднего диаметра пор от 0,011 до 0,014 мкм. При увеличении содержания добавки с содержанием наноразмерных частиц кремнезема, полученной ультразвуковым методом, до 0,2 % (в пересчете на сухое вещество) предел прочности при сжатии увеличивается до 3,15 МПа, т.е. на 92 %.

Установлено, что модификация структуры ДЦК микрокремнеземом приводит к снижению не только общей площади пор от 22560 см2/г до 16050 см2/г (на 28,8 %), но и объема и диаметра, что позволяет получать древесно-цементные композиции с пределом прочности при сжатии до 7,5 МПа, что более чем в 30 раз превышает прочность контрольных образцов.

Выявлен механизм влияния добавок содержащих микро- и наноразмерные частицы микрокремнезема и кремнезема на структуру и физико-технические свойства древесно-цементных композиций.

Установлено, что за счет гидравлической активности МК и добавки с наноразмерными частицами микрокремнезема и кремнезема (размер частиц от 15 до 200 нм) в структуре цементной матрицы происходит интенсивное образование гидросиликатов кальция, уплотняющих структуру древесно-цементных композиций.

Доказано, что комплексное использование добавок микро- и нанокремнезема позволяет повысить предел прочности при сжатии на 98 % и снизить водопоглощение на 50-60 % при экономии цемента до 50 %.

Практическое значение работы. Разработаны оптимальные составы ДЦК с использованием добавок микро- и нанодисперсного кремнезема, позволяющие получать материалы с улучшенными физико-техническими характеристиками.

Получены оптимальные составы древесно-цементных композиций с комплексными добавками, позволяющие получать материалы с пределом прочности при сжатии до 15 МПа, со средней плотностью от 580 до 930 кг/м3, водопоглощением от 15 до 60 %, при этом экономия цемента достигает 20Е50 %.

Предложена технология производства стеновых блоков на основе древесно-цементной композиции с использованием микро- и нанодисперсных добавок.

Разработана программа компьютерного моделирования с использованием пакета Model Vision Studium (MvS, версия 4), позволяющая в динамическом режиме анализировать и оптимизировать дисперсионный состав древесного заполнителя.

Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство научно-обоснованные способы получения древесно-цементных композиций с улучшенными физико-техническими показателями за счет использования комплексных добавок.

Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на предприятии ООО Лесэкспорт г. Брянска. Была выпущена опытная партия стеновых блоков из арболита класса Вразмерами 450х200х200 мм для строительства домов усадебного типа.

Для внедрения результатов работы разработаны технические условия ТУ 5745-003-65808240-2012 Наномодификатор кремнеземистый для бетонов.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800 Строительство профилям: Производство строительных материалов, изделий и конструкций; инженеров по специальности 270106 Производство строительных материалов, изделий и конструкций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на конференциях и выставках ного уровня: на Международной научно-практической конференции Проблемы инновационного биосферно-совместимого социальноэкономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах (Брянск 2009, 2010); научно-технической конференции Молодежь и научно-технический прогресс (Брянск, 2010); Всероссийской научно-технической конференции Традиции и инновации в строительстве и архитектуре (Самара, 2010); V и VI Академических чтениях РААСН Наносистемы в строительном материаловедении (Белгород, 2010, 2011), выставка RusnanotechExpo (Москва, 2011), Open Innovations Expo (Москва, 2012).

Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в шести научных публикациях, в том числе в двух статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ и одном зарубежном журнале. Подана заявка на изобретение Сырьевая смесь для получения строительных материалов на основе древесно-цементной композиции.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 1страницах машинописного текста, включающего 37 таблиц, рисунков и фотографий, списка литературы из 96 наименований, приложения.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментально-теоретических исследований влияния микродисперсного кремнезема на состав, свойства и микроструктурные особенности древесно-цементных композиций;

- механизм влияния добавок с наноразмерными частицами на физико-технические свойства и структуру древесно-цементных композиций;

- зависимости влияния комплексного использования микронаполнителя и добавок с наноразмерными частицами на физикомеханические показатели ДЦК;

- технология изготовления стеновых блоков из древесноцементных композиций на основе древесных отходов с использованием микро- и нанодисперсных добавок;

- технико-экономическое обоснование и внедрение результа- тов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для производства древесно-цементных композиций в настоящее время применяются различные целлюлозосодержащие заполнители растительного происхождения. Органические заполнители наряду с присущими им ценными свойствами (малая средняя плотность, хорошая смачиваемость и др.) обладают рядом специфических свойств, оказывающих существенное влияние на процессы структурообразования, структурно-механические и строительные свойства композитов.

Анализ литературных источников показал, что из всех специфических особенностей органических заполнителей наиболее хорошо изучена их агрессивность по отношению к цементу.

Известно, что наиболее вредное воздействие оказывают легкорастворимые простейшие сахара: сахароза, глюкоза, фруктоза и часть гемицеллюлозы, способной в определённых условиях перейти в форму таких сахаров, и в меньшей степени опасны крахмал, танниды и смолы. С целью уменьшения отрицательного влияния водорастворимых экстрактивных и легкогидролизуемых веществ на прочность ДЦК были предложены различные способы и технологические приёмы, сущность которых заключалась в частичном удалении легкогидролизуемых веществ из древесного заполнителя, а также в переводе простейших сахаров в нерастворимые или безвредные для вяжущего соединения, в ускорении твердения (т. е. в сокращении времени воздействия сахаров на процессы твердения). Однако применяемые способы минерализации древесного заполнителя, хотя и повышают скорость нарастания прочности в начальный период, всё же не позволяют получать достаточно прочный материал.

Следовательно, наличие таких веществ в заполнителе можно рассматривать как один из недостатков.

Еще одним недостатком является крупнопористая структура древесно-цементных композиций с незаполненным межзерновым пространством (80Е90 % объёма твёрдого тела занимает древесный заполнитель и только 10Е20 % приходится на цементный камень), характеризующаяся недостаточным для заполнения пустот между частицами органического целлюлозного заполнителя объёмом цементного камня.

Обширным исследованиям в области получения древесноцементных композиций посвящены работы отечественных и зарубежных специалистов: Ачкабаев А.А., Ашкенази Е.К., Aitcin P.C., Баженов Ю.М., Бужевича Г.А., Бухаркин В.Н., Горчаков Г.И., Домокеев А.Г., Евсеев Г.А., Зингельбойм С.Н., Карери Дж., Кауфман Б.И., Клименко М.И., Купер Г.А., Мазур Ф.Ф., Мартынов К.Я., Минас А.И., Морданов М.К., Наназашвили И.Х., Ногин К.И., Оболевская А.Б., Подчуфаров В.С., Поволоцкий А.С., Рыбьев И.А., Рюмина З.П., Саргина Е.М., Свиридов С.Г., Sing S.M., Скоблов Д.А., Соломатов В.И., Умяков П.Н., Шмидт Л.М., Штрейс Б.Г., Щеглов В.П. и других.

В связи с вышеизложенным, рабочей гипотезой диссертационной работы является возможность улучшения физикотехнических характеристик древесно-цементных композиций путем оптимизации структуры цементного камня на макро-, микро- и наноуровнях за счет регулирования размеров частиц древесного заполнителя, применения добавок микро- и нанодисперсного кремнезема и их комплексного использования (рис. 1). Ожидается, что такая модификация позволит получить строительные материалы с достаточно высоким пределом прочности при сжатии и низкими средней плотностью и водопоглощением.

Рис. 1 - Схема повышения эффективности арболита Для проведения исследований в диссертационной работе использовались: портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н, произведенный ЗАО Мальцовский портландцемент; органический заполнитель, представляющий собой опилки как хвойных, так и лиственных пород деревьев (сосна, ель, дуб, ольха, береза, осина и другие);

микрокремнезем конденсированный марки МК-85 с удельной поверхностью 120 м2/кг, насыпной плотностью 250 кг/м3 и истинной плотностью 2200 кг/м3; добавка с наноразмерными частицами кремнезема, полученная по золь-гель методу; добавка с наноразмерными частицами микрокремнезема, полученная путем ультразвукового диспергирования МК.

На первом этапе производили оптимизацию зернового состава арболита с помощью математического и компьютерного моделирования с использованием пакета Model Vision Studium (MvS, версия 4), позволяющего в динамическом режиме проанализировать и подобрать требуемый дисперсионный состав древесного заполнителя.

Граф гибридного автомата, построенный средствами пакета MvS и называемый в принятой терминологии картой поведения, показан на рисунке 2.

Рис. 2 - Карта поведения модели Пакет MvS решает следующие основные задачи:

- поддерживает интерфейс пользователя для создания математической модели исследуемой системы, а также обеспечивает контроль корректности этой модели;

-обеспечивает автоматическое построение компьютерной модели, соответствующей заданной математической;

- обеспечивает корректное проведение активного вычислительного эксперимента с компьютерной моделью на уровне абст- ракции математической модели.

Установлено, что оптимизация зернового состава органического заполнителя позволяет получать ДЦК (без введения добавок) с пределом прочности при сжатии 0,24 МПа, что на 15 % превышает прочность образцов изготовленных без оптимизации зернового состава заполнителя (0,20 МПа).

Перспективным и эффективным является широкое использование различных органических и неорганических добавок для улучшения качества ДЦК, а в последнее время все более актуальным становится вопрос модификации строительных композитов с помощью микронаполнителей.

Согласно имеющимся литературным данным, прочность арболита удается увеличить лишь на 10...15 % почти при полном удалении легкогидролизуемых веществ из древесного заполнителя.

Следовательно, наличие таких веществ в заполнителе можно рассматривать лишь как один из его недостатков. Это означает, что кроме химической агрессивности (содержание экстрактивных и легкогидролизуемых веществ) древесный заполнитель обладает и другими специфическими свойствами, которые отрицательно воздействуют на структурную прочность ДЦК и поэтому должны учитываться в технологии их производства.

Среди активных минеральных добавок техногенного происхождения, применяемых в современной технологии производства строительных материалов, изделий и конструкций, за рубежом и в нашей стране, особое место принадлежит микрокремнезему (МК), так как использование, при производстве строительных материалов, позволяет повысить прочностные характеристики изделий. Высокая его активность определена наличием диоксида кремния аморфной модификации и наличием ультрадисперсных частиц сферической формы со средним диаметром 0,1-0,3 мкм и удельной поверхностью 120 м2/кг.

На основании выше изложенных фактов, было решено использовать микрокремнезем в качестве микродисперсной добавки в древесно-цементных композициях.

Микродисперсная добавка вводилась в древесно-цементную смесь в количестве от 3 до 100 % от содержания цемента.

Установлено, что зависимости средней плотности, коэффи- циента теплопроводности, предела прочности при сжатии и водопоглощения от содержания добавки микрокремнезема носят экстремальный характер (рис. 3).

Минимальное значение средней плотности и коэффициента теплопроводности наблюдается при содержании добавки микрокремнезема от 3 до 6 % от массы цемента, в то время как максимальная прочность при содержании МК от 16 до 30 % и минимальное водопоглощение при 30 - 40 % микронаполнителя.

а б 11Содержание Содержание микрокремнезема,Е микрокремнезема, % отЕ в г Рис. 3 - Графики зависимостей физико-технических свойств ДЦК от количества микронаполнителя:

а - средняя плотность, кг/м3; б - коэффициент теплопроводности, Вт/мС; в - прочность, МПа;

г - водопоглощение, % сжатии, МПа Предел прочности при Водопоглощение, % Увеличение плотности и предела прочности при сжатии древесно-цементных композиций происходит за счет двух основных факторов: наличия диоксида кремния аморфной модификации в добавке микрокремнезема, вступающего в реакцию с гидросиликатом кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция и уплотняющего действия микрочастиц, заполняющих пространство между частицами цемента в тесте и продуктами гидратации в цементном камне.

а б х10000 х300Рис. 4 - Микроструктура древесно-цементной композиции а - без добавок; б - с добавкой микрокремнезема Исследования микроструктуры подтвердили, что на образце контрольного состава древесно-цементной композиции (рис. 4 а) образующиеся гидросиликаты кальция неравномерно покрывают поверхность органического заполнителя. При введении в состав ДЦК добавки микрокремнезема кроме образования гидросиликатов кальция, равномерно и плотно покрывающих древесный заполнитель, наблюдаются шарообразные включения микрокремнезема (рис. 4 б), заполняющие пространство между новообразованиями цементного камня и заполнителем.

Рентгенофазовый анализ контрольного состава ДЦК и образца модифицированного микрокремнеземом (рис. 5) также показал, что клинкерные зерна алита в цементном камне контрольного состава древесно-цементной композиции гидратировались на 53 %, в то время как в ДЦК с микрокремнеземом на 74 %.

Прочность является наиболее концептуальной характеристикой древесно-цементных композиций и в основном зависит от поровой структуры и фазового состава цементного камня.

Рис. 5 - Рентгенограммы древесно-цементных композиций: а - контрольный состав ДЦК, б - состав ДЦК с микрокремнеземом Использование добавки микрокремнезема в ДЦК приводит к изменениям не только фазового состава, но и поровой структуры цементного камня в результате образования низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(I), что и является основным фактором повышения плотности и прочности.

Пористость цементного камня древесно-цементных композиций с добавкой микрокремнезема, определяемой методом ртутной порометрии, представлена в таблице 1.

Таблица Результаты исследований пористости ДЦК Состав образца Общая площадь пор, Объем пор, Средний диаметр см2/г см3/г пор, мкм Контрольный 22560 0,066 0,0ДЦК+МК 16050 0,043 0,0Установлено, что использование микрокремнезема в качестве микродисперсной добавки приводит к снижению не только общей площади пор от 22560 см2/г до 16050 см2/г, т.е. на 28,8 %, но и объема пор и их диаметра.

Введение в состав цементного камня МК не изменяет общую пористость, но влияет на пористость дифференциальную. Установлено, что уменьшение количества капиллярных пор сопровождается соответственным увеличением пор геля, что является следствием повышения степени гидратации и увеличения количества низкоосновных гидросиликатов кальция CSH(I). Указанная тенденция усиливается при увеличении дозировки добавки микрокремнезема в составе древесно-цементных композиций.

Для модифицирования структуры древесно-цементных композиций применяли добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученные различными способами. Добавка с наноразмерными частицами кремнезема (НМк), получаемая путем ультразвукового диспергирования микрокремнезема, и добавка с наноразмерными частицами кремнезема (НК), получаемая по золь-гель методу, вводились в состав ДЦК вместе с водой затворения в количестве от 0,03 до 0,2 % (в пересчете на сухое вещество).

Результаты испытаний образцов модифицированных добавками с наноразмерными частицами приведены в таблице 2.

Таблица Влияние добавок с наноразмерными частицами на физико-технические свойства ДЦК № п.п. Состав композиции о, кг/м3 , Вт/мС Rсж, МПа Вm, % 1 2 3 4 5 1 ДЦК (контрольный) 747 0,322 0,24 86,2 ДЦК+НМк (0,03 %) 608 0,242 0,77 98,3 ДЦК+НМк (0,06 %) 610 0,243 0,85 87,4 ДЦК+НМк (0,09 %) 614 0,245 0,92 81,5 ДЦК+НМк (0,13 %) 619 0,248 1,02 72,6 ДЦК+НМк (0,16 %) 622 0,250 1,10 69,7 ДЦК+НМк (0,20 %) 628 0,253 1,27 62,8 ДЦК+НК (0,03 %) 712 0,302 1,86 49,9 ДЦК+НК (0,06 %) 715 0,303 2,10 47,10 ДЦК+НК (0,09 %) 734 0,314 2,49 46,11 ДЦК+НК (0,13 %) 745 0,321 2,70 45,12 ДЦК+НК (0,16 %) 757 0,328 2,76 44,13 ДЦК+НК (0,20 %) 759 0,329 3,15 43,Установлено, что использование добавки НМк в количестве 0,% позволяет снизить среднюю плотность на 18,6 %, а коэффициент теплопроводности на 25 %, при этом увеличиваются предел прочности при сжатии (на 69 %) и водопоглощение (на 12 %).

При увеличении содержания НМк до 0,2 % предел прочности при сжатии увеличился на 80 %, водопоглощение снизилось на 28 %.

Средняя плотность и коэффициент теплопроводности при увеличении содержания добавки с наноразмерными частицами микрокремнезема изменяются незначительно.

Использование добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной золь-гель методом, в количестве 0,03 % приводит к незначительному снижению средней плотности (на 4,7 %) и коэффициента теплопроводности (на 6,2 %), по сравнению с контрольным составом, предел прочности возрастает на 87 %, а водопоглощение снижается на 40 %. При увеличении НК до 0,2 % происходит увеличение предела прочности при сжатии на 92 %, водопоглощение снижается на 50 %.

Установлено, что использование добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученная методом ультразвукового диспергирования, приводит к снижению общей площади пор с 22560 до 4470 см2/г, т.е. в 5 раз, объема пор от 0,066 до 0,017 см3/г, т.е. в 4 раза при некотором увеличении среднего диаметра пор от 0,011 до 0,0мкм.

Таблица Пористость ДЦК модифицированных добавками с наноразмерными частицами Состав образца Общая Объем пор, Средний площадь см3/г диаметр пор, пор, см2/г мкм Контрольный 22560 0,066 0,0ДЦК + добавка с наноразмерными 4470 0,017 0,0частицами кремнезема, полученная ультразвуковым методом ДЦК + добавка с наноразмерными 4350 0,016 0,0частицами кремнезема, полученная по золь-гель методу При исследовании пористости образцов, модифицированных добавками с наноразмерными частицами, установили, что:

- при модифицировании структуры ДЦК добавкой НМк общая площадь пор снижается на 80 %, а объем пор на 74 %, средний диаметр пор увеличивается на 8 %, по сравнению с контрольным образцом, и снижается на 14 %, по сравнению с образцом модифицированным НК;

- использование добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной золь-гель методом, приводит к снижению общей площади пор на 81 %, объема пор на 76 %, средний диаметр пор при этом увеличивается на 21 %.

Использование добавок с наноразмерными частицами для повышения эффективности древесно-цементных композиций обусловлено способностью добавок взаимодействовать с гидросили- катами кальция образуя труднорастворимые смешанные соли, которые кальматируют поры, что подтверждается данными микроскопических исследований (рис. 6).

а б х30000 х250Рис. 6 - Микроструктура древесно-цементной композиции а - с добавкой содержащей наноразмерные частицы кремнезема, полученная золь-гель методом; б - с добавкой содержащей наноразмерные частицы кремнезема, полученная ультразвуковым диспергированием Для модифицирования структуры древесно-цементных композиций на микро- и наноуровнях одновременно вводили в смесь микрокремнезем (предварительно смешанный с цементом) и добавки с наноразмерными частицами кремнезема (вместе с водой затворения).

Результаты испытаний модифицированных образцов ДЦК приведены в таблице 4.

Совместное использование МК в количестве 20 % и добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной ультразвуковым методом (НМк), в количестве 0,03 % позволяет повысить предел прочности при сжатии на 82 %, снизить среднюю плотность на 21 %, а коэффициент теплопроводности на 28 %. При дальнейшем увеличении содержания НМк до 0,20 % предел прочности увеличивается на 93,5 %, водопоглощение снижается на 43%.

Средняя плотность при увеличении содержания добавки возрастает, по сравнению со средней плотностью ДЦК, в состав которой помимо 20 % микрокремнезема вводили 0,03 % добавки НМк, но остается на 10 % ниже значения средней плотности контрольного состава.

Таблица Результаты испытаний ДЦК модифицированных на микро- и макроуровнях № Состав композиции о, кг/м3 , Вт/мС Rсж, МПа Вm, % п.п.

1 2 3 4 5 1 ДЦК (контрольный) 747 0,322 0,24 86,2 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,03 %) 592 0,233 1,31 89,3 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,06 %) 622 0,250 1,43 72,4 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,09 %) 641 0,261 2,24 65,5 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,13 %) 665 0,274 2,78 57,6 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,16 %) 670 0,277 3,1 52,7 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,20 %) 676 0,281 3,71 49,8 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,03 %) 671 0,278 3,52 65,9 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,06 %) 703 0,296 5,30 66,10 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,09 %) 712 0,302 4,12 67,11 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,13 %) 712 0,302 3,67 66,12 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,16 %) 700 0,295 2,05 63,13 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,20 %) 688 0,288 1,38 60,14 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,06 630 0,254 15,0 52,%)+НМк(0,20 %) При совместном использовании 20 % МК и 0,03 % (в пересчете на сухое вещество) добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной по золь-гель методу (НК), наблюдается увеличение предела прочности при сжатии на 93 %. Водопоглощение, средняя плотность и коэффициент теплопроводности снижаются на 24, 10 и % соответственно.

Увеличение содержания НК до 0,06 % приводит к увеличению предела прочности при сжатии на 95 %, дальнейшее увеличе- ние добавки приводит к снижению предела прочности при сжатии до 1,38 МПа.

Использование двух добавок, 20 % микрокремнезема и 0,09 % добавки НК, приводит к увеличению средней плотности и коэффициента теплопроводности, при дальнейшем увеличении содержания НК до 0,2 % приводит к снижению средней плотности на %, коэффициента теплопроводности на 11 %, водопоглощения на 30 %.

При комплексном использовании микронаполнителя в количестве 20 %, НМк - 0,2 % и добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной золь-гель методом, - 0,06 % получили материал с пределом прочности при сжатии на 98 % превышающем аналогичный показатель контрольного состава древесно-цементной композиции.

Таблица Результаты исследований пористости ДЦК модифицированных микро- и нанодисперсным кремнеземом Состав образца Общая Объем Средний площадь пор, пор, диаметр см2/г см3/г пор, мкм Контрольный 22560 0,066 0,0ДЦК +МК + добавка с наноразмер- 10680 0,037 0,0ными частицами кремнезема, полученная ультразвуковым методом ДЦК+МК + добавка с 10230 0,033 0,0наноразмерными частицами кремнезема, полученная по зольгель методу ДЦК+МК + добавки с 13460 0,031 0,наноразмерными частицами кремнезема Результаты порометрии (таблица 5) позволяют сделать вывод о том, что общая площадь пор образцов ДЦК с микрокремнеземом и добавками, содержащими наноразмерные частицы кремнезема, (с каждой добавкой отдельно) снижается в среднем на 54 %, объем пор на 46 %, при этом средний диаметр пор увеличивается на 13 %.

В результате исследований микроструктуры установлено, что при введении в состав ДЦК наряду с микронаполнителем добавок с наноразмерными частицами кремнезема образуется более плотная структура, отличающаяся наличием новообразований, характерных для гидросиликатов кальция на поверхности частиц древесного заполнителя. Это, вероятно, объясняется тем, что реакционноспособный активный кремнезем, связывает выделяющийся при гидратации портландит с образованием гидросиликатов кальция, а образующиеся гидроацетоалюминаты кальция кальматируют поры.

а б х10000 х250Рис. 7 - Микроструктура древесно-цементной композиции с микрокремнеземом и добавками с наноразмерными частицами кремнезема Комплексное использование микронаполнителя и добавок с наноразмерными частицами приводит к снижению показателей, по сравнению с контрольным составом ДЦК, так средний диаметр пор уменьшается на 20 %, объем пор снижается на 53 %, а общая площадь пор на 40 %.

Для практической реализации диссертационной работы разработана технологическая схема по производству стеновых блоков на основе древесно-цементной композиции с использова- нием микро- и нанодисперсных добавок. Технология производства данного вида изделий включает транспортирование и складирование сырьевых компонентов. Органический заполнитель подвергают фракционированию. После фракционирования заполнитель подается в бетоносмеситель планетарно-роторного типа для приготовления арболитовой смеси. Последовательность загрузки смесителя следующая: органический заполнитель, цемент и микрокремнезем, вода и добавки. Продолжительность перемешивания составляет 5-6 мин.

Наилучшим способом уплотнения арболитовой массы является вибропрессование, так как он позволяет получить более высокий коэффициент уплотнения. Формование изделий из древесно-цементных композиций составляет 5 мин, давление прессования - 0,2 МПа, коэффициент уплотнения - 1,45. Свежеотформованная продукция из вибропресса поступает на деревянных поддонах по транспортеру на вагонетку, а затем подается на сушку.

Исходные режимы тепловой обработки следующие: подъем температуры до 40 оС - 3 ч, выдержка при температуре 40 С Ч 6 ч, снижение температуры до 30 С - 3 ч. Скорость подъема температуры о не должна превышать 10 С/ч. После тепловой обработки изделия следует выгружать из камеры при разнице температур в камере и цехе не более 20 С. После выгрузки из камеры изделия выдерживают в течение 0,5Е1 ч в помещении с температурой не менее 18 С. Затем их упаковывают с помощью пакетировщика и отправляют на склад готовой продукции, а затем потребителю.

Для апробации полученных результатов выпущена опытная партия стеновых блоков из арболита класса В2 размерами 450х200х2мм для строительства домов усадебного типа на предприятии ООО Лесэкспорт г. Брянска. Экономия цемента составляла 20 %. Арболитовые блоки обладали следующими характеристиками: марка по прочности при осевом сжатии М35, средняя плотность составляла 740 кг/м3. Влажность готовых изделий составляла 20 %.

Экономическая эффективность производства мелкоштучных стеновых блоков с использованием микро- и нанодисперсных добавок обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, часть из которых являются отходами производств, возможно стью уменьшения энергозатрат, снижением расхода цемента на 20-50% за счет замены его микрокремнеземом и получением материала с улучшенными физико-техническими характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены принципы повышения эффективности древесно-цементных композиций путем целенаправленного регулирования структуры на макро-, микро- и наноуровне путем оптимизации размеров частиц древесного заполнителя, применения добавок микро- и нанодисперсного кремнезема.

2. Показано, что за счет оптимизации зернового состава древесного заполнителя с помощью математического и компьютерного моделирования с использованием пакета Model Vision Studium (MvS, версия 4) предел прочности при сжатии ДЦК увеличивается на 15-20% в зависимости от состава древесно-цементных композиций.

Модификация структуры ДЦК микрокремнеземом приводит к снижению не только общей площади пор от 22560 см2/г до 16050 см2/г (28,8 %), но и их объема и диаметра. Доказано, что использование добавки МК в количестве 20 % от массы цемента позволяет повысить предел прочности при сжатии на 97 % и уменьшить водопоглощение на 45 - 50 %.

3. Экспериментально установлено, что наноразмерные частицы кремнезема, полученные по золь-гель методу и ультразвуковым способом, приводят к снижению общей площади пор в 5 раз (от 225до 4350 см2/г), объем пор в 4 раза (от 0,066 до 0,016 см3/г) при некотором увеличении среднего диаметра пор от 0,011 до 0,014 мкм.

Показано, что увеличение содержания наноразмерного кремнезема в составе древесно-цементных композиций до 0,2 % (в пересчете на сухое вещество) приводит к повышению предела прочности при сжатии от 0,24 МПа до 3,15 МПа, т.е. на 92 %.

4. При изучении механизма влияния добавок, содержащих микро- и наноразмерные частицы кремнезема, на структуру и физикотехнические свойства древесно-цементных композиций установлено, что за счет гидравлической активности микро- и нано- дисперсного кремнезема в структуре цементной матрицы происходит интенсивное образование гидросиликатов кальция. Доказано, что комплексное использование добавок с микро- и наноразмерными частицами кремнезема позволяет повысить предел прочности при сжатии на 98 % и снизить водопоглощение на 50-60 % при экономии цемента до 50 %.

5. Определены оптимальные составы древесно-цементных композиций, позволяющие получать материалы с улучшенными физико-техническими характеристиками: предел прочности при сжатии до 15,0 МПа, средняя плотность 630 кг/м3 и водопоглощение 52,3 %.

Разработана технология производства стеновых блоков на основе древесно-цементной композиции с использованием комплексных добавок, таких как микрокремнезем и добавки с наноразмерными частицами кремнезема. Полученные результаты исследований позволили произвести промышленную апробацию на предприятии ООО Лесэкспорт с выпуском опытной партии мелкоштучных стеновых блоков из арболита класса В2 размерами 450х200х200 мм для строительства домов усадебного типа.

6. Проведенный расчет технико-экономической эффективности использования комплексных добавок обусловлен использованием доступных сырьевых материалов, возможностью снижения энергозатрат, расхода цемента до 50 % без снижения прочности за счет замены части цемента микрокремнеземом и получением материалов с улучшенными физико-техническими свойствами.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Лукутцова, Н.П., Горностаева, Е.Ю. Использование древесных отходов для получения строительных материалов [Текст] / Н.П. Лукутцова, Е.Ю. Горностаева // Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах:

материалы 1-й междунар. науч.-практ. конф., 8-9 октября 2009 г. - Брянск, 2009. - Т.1. - С. 87-92.

2 Гегерь, В.Я., Горностаева, Е.Ю., Бахтин, Д.А. Пути повышения качества древесно-цементных композиций [Текст] / В.Я.

Гегерь, Е.Ю. Горностаева, Д.А. Бахтин // Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического разви тия в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах:

материалы 2-й междунар. науч.-практ. конф., 30 ноября 2010 г. - Брянск, 2010. - Т.2. - С. 120-125.

3. Горностаева, Е.Ю. Использование микрокремнезема для улучшения физико-технических показателей древесно-цементных композиций [Текст] / Е.Ю. Горностаева // Молодежь и научнотехнический прогресс / Под общей редакцией Е.А. Памфилова.

Сборник трудов по итогам молодежной научно-технической конференции. Выпуск 1. - Брянск: БГИТА, 2010. - С. 191-193.

4. Орешкин, Д.В., Лукутцова, Н.П., Горностаева, Е.Ю.

Повышение качества древесно-цементных композиций добавками [Текст] / Д.В. Орешкин, Н.П. Лукутцова, Е.Ю. Горностаева // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 20года: сб. науч. тр. - Самара. - 2010. - С. 276-278.

5. Лукутцова, Н.П., Горностаева, Е.Ю. Получение древесноцементных композиций с улучшенными физико-техническими показателями [Текст] / Н.П. Лукутцова, Е.Ю. Горностаева // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2010. - №4. - С. 44-46.

6. Лукутцова, Н.П.. Горностаева, Е.Ю., Карпиков, Е.Г.

Древесно-цементные композиции с минеральными микронаполнителями [Текст] / Н.П. Лукутцова, Е.Ю. Горностаева, Е.Г.

Карпиков // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2011. - №3. - С. 21-23.

7. N. Lukutsova Influence of micro- and nanodispersed additions on qualities of wood-and cement compositions [Текст] / N/ Lukutsova, E.

Gornostaeva // SITA journal Israel, 2012. - № 3. - v. 14. - p. 70-75.

8. Сырьевая смесь из древесно-цементной композиции / Н.П.

укутцова, Е.Ю. Горностаева, Д.А. Киреенков, А.А. Мацаенко, Р.О.

Петров, С.В. Поляков. Заявка № 20121249. МПК С04 В 28/26.

Приоритет от 29.05.2012; заявитель Брян. гос. инженер.-технол. акад.

ГОРНОСТАЕВА ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДРЕВЕСНОЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ КОМПЛЕКСНЫМИ ДОБАВКАМИ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.23.05 - Строительные материалы и изделия Подписано в печать 14.11.2012. Формат 60х84/16.

Усл.-печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 2Отпечатано в БГТУ им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям