Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
МОСЬПАН Александр Викторович
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЙ СИЛИКАТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНЫХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Белгород 2012
Работа выполнена в ГОУ ВПО Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В.Г. Шухова Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Лесовик Валерий Станиславович Официальные оппоненты Муртазаев Саид-Альви Юсупович - доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО Грозненский государственный нефтяной институт им. академика М.Д. Миллионщикова проректор по капитальному строительству - Володченко Анатолий Николаевич кандидат технических наук, профессор ГОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова профессор кафедры неорганической химии Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Защита состоится 26 декабря 2012 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, ауд. 242.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.
Автореферат разослан 25 ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета _____________________ Г.А. Смоляго
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В связи с резким подорожанием энергоресурсов, ведутся интенсивные работы по совершенствованию теплоизолирующих способностей строительных материалов. Но, несмотря на многообразие торговых марок поставляемых на рынок строительных материалов, предпочтение должно быть отдано неорганическим материалам экологически безвредным, пожаробезопасным.
Поэтому важнейшей задачей следует считать создание новых эффективных стеновых материалов со стабильно высокими теплоизоляционными характеристиками, имеющих повышенную прочность сцепления с кладочными растворами, особенно это актуально для строительства в сейсмоопасных регионах.
С этой точки зрения внимание привлекают широко используемые в строительстве силикатные материалы автоклавного твердения, однако они имеют невысокую прочность сцепления с кладочными растворами и в сейсмостойком строительстве не используются. По данным Европейской ассоциации производителей автоклавного силикатного бетона, годовой объем выпуска его в этих странах составляет 17 млн. м3. В России выпускается более 6,2 млрд. штук условного силикатного кирпича в год. Относительно низкая энергоемкость получения силикатных строительных материалов автоклавного твердения, развитая структура производства по территории России, технологичность, возможность утилизации отходов при производстве делают их весьма привлекательным объектом модификации структуры с целью улучшения потребительских характеристик данных материалов и снижения теплопроводности. Создание, либо внесение в их структуру наиболее эффективных, с точки зрения теплоизоляции, замкнутых пор позволяет существенно уменьшить теплопроводность, повысить термосопротивление стен зданий, облегчить массу стеновых конструкций, улучшить адгезию к кладочным растворам.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана г\б НИР № 1.1.07 Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем на 2007Ц2011 гг.; при финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МД-2906.2007.8 Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом типоморфизма сырья; в рамках программы У.М.Н.И.К при участии Федерального фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Цель работы. Разработка составов и технологии получения силикатных материалов автоклавного твердения с высокой адгезией к кладочным растворам и низкой теплопроводностью за счет использования безобжиговых гранулированных порообразующих компонентов на основе аморфного кремнезема.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение кинетики растворения при автоклавной обработке ядер гранулированного заполнителя в зависимости от их состава, соотношения компонентов и диаметра;
- исследование физико-механических и эксплуатационных свойств силикатных материалов автоклавного твердения в зависимости от состава и содержания активных заполнителей;
- исследование кинетики образования гидросиликатов кальция в присутствии водорастворимых силикатов щелочных металлов с целью сокращения времени автоклавирования и увеличения прочности сцеплением с кладочными растворами;
- разработка технологии производства стеновых блоков и кладочных растворов;
- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и рекомендаций по технологии получения силикатных стеновых материалов с замкнутой пористостью.
Промышленная апробация.
Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности производства силикатных стеновых материалов за счет использования активных гранулированных заполнителей и крентов - отходов пиления массива на блоки, что позволяет не только управлять процессами структурообразования на макро-, микро-, и наноуровне, но и получить уникальные свойства материала, моделирующего природный процесс генезиса известняка-ракушечника. Результатом этого воздействия является синтез нано- и микроразмерных гидратных новообразований, толщиной несколько микрон, что позволяет существенно повысить влаго-, морозостойкость, снизить теплопроводность силикатного материала в целом.
Выявлен характер зависимости свойств силикатных материалов от количества и состава АГЗ. Соотношение аморфных форм кремнезема и гидроокиси натрия в исходных минеральных порошках, направляемых на грануляцию и, в дальнейшем служащих ядром АГЗ, определяет физикомеханические свойства получаемых автоклавных материалов, и позволяет повысить прочность и атмосферостойкость готовых изделий за счет высокомодульных гидросиликатов натрия, которые имеют большую степень полимеризации, создают более плотную и водонепроницаемую оболочку образующихся пор; что приводит к снижению водопоглощения и повышают морозостойкость композитов.
Установлен характер взаимосвязи между параметрами автоклавной обработки (P, t), фазовым составом и технико-эксплуатационными характеристиками силикатных материалов, заключающийся в том, что введение 20-мас.% АГЗ обеспечивает формирование гетерофазного полиминерального цементирующего вещества различной морфологии. Использование АГЗ позволяет снизить время изотермической выдержки на 25 % и обеспечивает при этом получение силикатных материалов пониженной теплопроводности и нормативной прочности.
Предложен механизм существенного увеличения адгезии стенового материала к кладочному раствору за счет использования композитов с высокоразвитой упрочненной поверхностью и комплексного цементно-песчаного раствора с минеральным пластификатором и фиброй, позволяющим увеличить предел прочности конструкции на срез в несколько раз.
Практическая значимость. Разработаны составы смесей и технологии для получения силикатных изделий с АГЗ, позволяющих снизить теплопроводность и, что очень актуально при строительстве в сейсмоопасных районах России, существенно повысить их сцепление с кладочными растворами.
Предложены технологические схемы получения теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных силикатных материалов с сокращенной продолжительностью автоклавирования.
Разработаны рекомендации по технологии получения силикатных стеновых материалов с замкнутой пористостью.
Сделан технико-экономический анализ эффективности применения активных гранулированных заполнителей, обеспечивающих повышение производительности автоклавного оборудования, уменьшить толщину и вес стен в 1,4 раза без ухудшения их теплоизолирующих свойств.
Получены закономерности изменения свойств готовых изделий в зависимости от параметров автоклавной обработки, позволяющие оптимизировать физико-механические характеристики силикатных материалов с АГЗ.
Определены рациональные параметры гидротермального синтеза силикатных изделий пониженной теплопроводности в зависимости от технического состояния автоклавного оборудования, что позволяет существенно сократить энергоемкость производства силикатных материалов с прочностью, удовлетворяющей требованиям нормативных документов.
Практическую значимость результатов работы подтверждает диплом и серебряная медаль XIII Московского Международного Салона изобретений и инновационных технологий в номинации Прогрессивные промышленные технологии и материалы (г. Москва, 2010).
Внедрение результатов исследований. Полученные силикатные стеновые материалы автоклавного твердения с замкнутой пористостью предложены в качестве конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов.
Разработаны рекомендации по рациональным областям применения нового силикатного материала. Рекомендовано применение безобжигового гранулированного заполнителя с насыпной плотностью 600-700 кг/м3 и размером 4-10 мм при производстве силикатных материалов пониженной теплопроводности. Согласно СТО 02066339-006-2011, 02066339-007-2011, 02066339-008-2011, 0266339-009-2011, 0266339-010-2011 и 0266339-013-20получены сертификаты соответствия по системе ГОСТ и рекомендации по их применению. Технологическая схема получения силикатного стенового материала с использованием разработанного АГЗ на основе коркинской опоки была опробована в промышленных условиях на ЗАО Поревит, комбинат строительных материалов, г. Ялуторовск (Тюменская обл.); выпущена опытная партия.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются при реализации программ опережающей профессиональной переподготовки инженерных кадров строительных предприятий; в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению Строительство, инженеров по специальности 270106 Производство строительных материалов, изделий и конструкций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных симпозиумах и конференциях, в том числе: Международной научно-практической конференции Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии - XVIII научные чтения (Белгород, 2007); Международной конференции РХТУ им. Д.И. Менделеева Успехи в химии и химической технологии, (Москва, 2008); III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Теория и практика повышения эффективности строительных материалов (Пенза, 2008); Международной конференции Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях (Якутск, 2009); Международной научно-практической конференции Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов - XIX научные чтения (Белгород, 2010); областной научнопрактической конференции Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее (Белгород, 2011).
На XIII Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий данная разработка удостоена диплома и серебряной медали.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах по списку ВАК РФ, получено 5 патентов РФ.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографии из 171 наименования и приложений. Работа изложена на 181 странице текста, куда входят 34 таблицы, рисунков и фотографий.
На защиту выносятся:
- закономерности изменения структуры и физико-механических свойств силикатных изделий за счет формирования объемных контактных зон между разработанными заполнителями и матрицей;
- способ получения безобжигового активного гранулированного заполнителя;
- механизм формирования контактной зоны гранулированного заполнителя с силикатной матрицей при автоклавной обработке;
- технология получения стеновых блоков с использованием АГЗ;
- способ повыщения адгезии силикатных материалов к кладочным растворам;
- технико-экономические обоснования применения силикатных конструкционно-теплоизоляционных материалов с активным гранулированным заполнителем;
- технологический режим производства силикатных изделий с повышенными теплоизоляционными свойствами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В настоящее время производством силикатных автоклавных материалов в Российской Федерации занимаются более 100 предприятий. В общей структуре производства стеновых материалов на долю силикатного кирпича приходится около 21Ц23%. В целом рынок силикатных изделий очень насыщен и имеет достаточно высокий уровень конкуренции, подталкивающей предприятия отрасли к постоянному повышению качества выпускаемой и освоению производства новых видов продукции. Прессованные силикатные изделия имеют низкую прочность счепления с кладочными растворами, поэтому в сейсмоактивных районах их не используют.
Для повышения инвестиционной привлекательности силикатных материалов автоклавного твердения необходим переход на высокоэффективные технологии. Назрела острая необходимость в поиске путей существенного повышения прочности сцепления с кладочными растворами и снижения теплопроводности традиционно используемого силикатного кирпича. Данная проблема может быть решена за счет использования активных гранулированных заполнителей (АГЗ).
Рабочей гипотезой работы является возможность получения силикатных композитов строительного назначения с повышенной прочностью сцепления с кладочными растворами и низкой теплопроводностью за счет использования безобжиговых гранулированных порообразующих компонентов с растворяющимся ядром при автоклавной обработке и образовании замкнутых пор.
Исходными материалами для получения силикатных автоклавных материалов являются: песок Разуменского месторождения, негашеная комовая известь I сорта производства ОАО Стройматериалы (Белгород), вода. Для получения АГЗ в качестве кремнеземсодержащего компонента для изготовления ядра использовали широкий спектр высококремнеземистых природных пород и материалов техногенного происхождения: опоки (коркинская), трепел (фокинский и белорусский), перлит природный и впученный, цеолиты (мухор-таллинский и хотынецкий) и бой тарного стекла. В качестве гидроксида щелочного металла использовали гидроксид натрия.
Таблица Свойства гранулированного заполнителя № Наименование сырья п.п.
Перлит Мухо-Талинского место1. 890 765 8,7 92,рождения (Бурятия) Опока Коркинского месторожде2. 670 560 10,7 89,ния (Челябинская область) Цеолит Хотынецкого месторож3. 710 650 9,6 88,дения (Орловская область) 4. Трепел Фокинский, Брянская обл. 750 702 9,8 88,Цеолитсодержащий туф, Мухор5. 803 774 9,6 93,Талинского м-е Бой зеленого тарного стекла, 6. 860 832 7,2 91,г. Воронеж 7. Перлит вспученный 510 465 6,8 94,8. Песок кварцевый 920 840 7,1 89,Совместный помол кремнеземсодержащих компонентов с гидроксидом натрия осуществлялся в шаровых мельницах, гранулирование - на тарельчатом грануляторе с использованием жидкого стекла. Водный раствор жидкого стекла плотностью 1250 кг/м3 с помощью регулируемой форсунки набрызгивался на поверхность дисперсного материала, подаваемого на наклонную тарелку гранулятора. Регулируя размер частиц разбрызгиваемого раствора и угол наклона тарелки гранулятора, можно варьировать размер получаемых гранул в широком диапазоне. Сразу после формования, гранулы поступают в порошок извести молотой совместно с кремнефтористым натрием (для водостойкости оболочек гранул). Дисперсность порошка, используемого для грануляции, соотношение натрия кремнефтористого с известью для нанесения защитной оболочки на ядрах гранул и необходимая толщина оболочки подбиралась экспериментально. За счет наличия на поверхности гранулы жидкого стекла, формируется защитная оболочка. После сушки, гранулы приобретают необходимую прочность и с помощью сит отделяются от излишка извести.
кг/м Насыпная плотность, Предел прочности на клавной обработке, % Растворимость при автосжатии в цилиндре, МПа Средняя плотность, кг/м Получаемые гранулы смешиваются с традиционной силикатной смесью для изготовления силикатного кирпича и подаются на формование.
Рядом исследователей отмечается, что аморфные кремнезёмы, которые содержатся в опоках, трепелах, диатомитах и др. очень легко взаимодействуют со щелочами. Взаимодействие, заключающееся в образовании водорастворимых силикатах натрия наблюдается уже при 70-80С. Однако, при этом образуются в основном низкомодульные соединения силикатов натрия, поэтому при условии протекания данной реакции должно быть очень много щелочей, используемых для проведения данной реакции, поэтому при повышенном давлении и температуре предлагаемые нами смеси для ядер гранул могут содержать модуль щёлочности 5-6, т.е. на каждую часть щёлочи используются 5-6 частей кремнезёма. Наши исследования показали, что реакции протекают достаточно полно, и практически не остаётся свободной щёлочи при высоких силикатных модулях.
Так как часть выделяющихся из гранулы в процессе автоклавной обработки водорастворимых гидросиликатов натрия поглощалась силикатной матрицей изделия, т.е. активно влияла на физико-механические свойства границы раздела между заполнителем и матрицей, эти гранулы были названы активными (АГЗ).
Рис. 1. Изменение водопоглощения (а) и прочности (б) силикатных материалов от содержания в них активных гранул без защитной оболочки. Гранулы на основе: 1 - трепела фокинского; 2 - перлита вспученного; 3- цеолитсодержащего туфа; 4- перлита природного; 5 - тарного стекла; 6 - кварцевого песка и 7 - керамзита Для сравнения был использован керамзит, который используется как заполнитель для цементных бетонов. В технической литературе имеются сведения об использовании его в силикатных материалах, однако он в корне отличается по своим свойствам от использованных активных гранул по водопоглощению (рис. 1а) и прочности (рис. 1б) конечных изделий.
Вначале были использованы заполнители без защитной оболочки. Их влияние на силикатную матрицу гораздо существеннее, однако сырцовые изделия не подлежат длительному хранению (не более двух часов), т.к. щёлочи из гранул переходят в силикатную матрицу, снижая реакционную способность самих гранул. Защитная оболочка гранул из извести и кремнефтористого натрия способствует длительному сохранению реакционной способности сырцовых гранул (пат. РФ №№ 2361838, 2361839, 235555, 235556, 2433976).
При существенной поризации материала, естественно, уменьшаются прочностные характеристики (на сжатие и изгиб), однако при использовании керамзита, уменьшение прочности гораздо сильнее (табл. 2, смесь 7). В данном случае разрушение образцов происходит в зоне контакта между заполнителем и матрицей, однако при использовании активных заполнителей этого не наблюдается, т.к. контактная зона носит невыраженный характер.
Таблица Влияние добавки АГЗ на физико-механические свойства прессованных силикатов Силикатный кирпич № с АГЗ на основе:
1 Трепел фокинский 1485 22,3 3,89 14,9 0,2 Перлит вспученный 1401 19,5 3,87 16,9 0,3 Цеолитсодержащий туф 1503 18,4 3,88 18,3 0,4 Перлит природный 35% 1533 17,8 3,81 18,5 0,5 Тарное стекло 1523 17,6 3,79 19,1 0,6 Кварцевый песок 1544 17,0 3,76 19,4 0,7 Керамзит 1432 10,1 2,01 34,4 0,8 Силикатная смесь 0% 1886 26,9 3,87 21,5 0,Выделяющиеся силикаты натрия настолько меняют свойства матрицы, что она уменьшает сорбционную влажность, т.е. при хранении данные силикатные образцы гораздо меньше поглощают влагу, что стабилизирует теплопроводность образцов при эксплуатации (рис. 2).
При использовании АГЗ, модифицируется силикатная матрица материала, наблюдается устойчивое снижение показателей сорбционной влажности в ряду по степени увеличения эффекта: песок кварцевый тарное стекло перлит природный цеолитсодержащий туф (Якутия) перлит вспученный цеолит хотынецкий опока коркинская трепел фокинский.
МПа МПа кг/м мас.% Вт/мК на изгиб, при сжатии, Водопоглощение, Предел прочности Предел прочности Теплопроводность, Количество АГЗ, % Средняя плотность, Более детальное изучение пористости полученных материалов показывает, что при увеличении содержания гранул в силикатном материале растет его общая пористость, причём появляется и имеет высокие значения (до 40%) закрытые поры, и снижается открытая пористость. Это происходит на фоне роста общей пористости (рис. 3), которая особо благоприятно сказывается на снижении теплопроводности.
Рис. 2. Сорбционная влажность бездобавочных силикатных материалов (1) и с добавкой 40 мас.% АГЗ на основе цеолитсодержащего туфа (2), перлита природного (3), перлита вспученного (4) и трепела фокинского (5) Наиболее ярко влияние активных гранулированных заполнителей проявляется при изучении их свойств теплопроводности (табл. 2). Она уменьшается в данном случае в 3-4 раза. Поэтому данные материалы относятся к группе теплоизоляционно-конструкционных.
При автоклавировании гранулированного материала выделяются водорастворимые гидросиликаты натрия, размер которых зависит от силикатного модуля ядер гранулированного материала.
Рис. 3. Характеристики пористости силикатного материала в зависимости от содержания в нём АГЗ на основе трепела фокинского.
Пористость: 1 - общая; 2 - открытая, 3 - закрытая Рис. 4. Срезы силикатных образцов после автоклавирования Глубину проникновения в силикатную матрицу выделяющихся гидросиликатов определяли на специально изготовленных силикатных образцах (рис.
4). Здесь моделировались процессы, происходящие в гранулах различного состава, определялась их кинетика проникновения выделяющихся гидросиликатов в силикатную матрицу в процессе автоклавной обработки образцов.
Условия помола исходных материалов определяет кинетику растворения кремнезёма в ядрах полученного заполнителя при их автоклавной обработке. Удельная поверхность кварцевого песка составляла 300 м2/кг. Степень нарушения кристаллической структуры зависит от условий помола исходных материалов, например, помол в шаровых мельницах имеет более спокойный характер растворения кремнийсодержащих частиц, а помол на виброистирателе существенно ускоряет процесс растворения силикатной составляющей материала. К 4-5 часам автоклавирования, процесс растворения силикатов практически завершается (рис. 5), материалы с ненарушенной кристаллической структурой реагируют со щелочью чрезвычайно медленно.
Рис. 5. Кинетика растворения кремнезема в ядрах АГЗ при их автоклавной обработке. Ядра изготовлены на основе кварцевого песка, молотого на: 1 - планетарной мельнице, 2 - виброистирателе, 3 - шаровой мельнице;
4 - ядра изготовлены на основе перлита Рис. 6. Сравнительная диаграмма рентгенограмм силикатных автоклавных материалов: 1 - без АГЗ, 2 - с АГЗ. Обозначены отражения: Q - кварца, P - портландита, C - кальцита.
Рентгенограммы силикатных автоклавных материалов, с одинаковым исходным составом вяжущего, полученных с применением АГЗ и без них, приведены на рис. 6.
Фазовый состав материала представлен кварцем, портландитом и кальцитом. Селективных отражений других кристаллических компонентов не зафиксировано. Характерной особенностью рентгенограммы образца материала с гранулами является присутствие интенсивной фоновой составляющей рентгеновского рассеяния в интервале углов дифракции 2=2832 (съемка производилась на излучении Cu-анода). Основываясь на предположении о том, что причиной появления заметной фоновой составляющей дифракционного спектра на этих углах является рентгеновское рассеяние на наноразмерных (полукристаллических) C-S-H образованиях, был проведен полнопрофильный количественный РФА с использованием программы DDM v.1.(derivative difference minimization). DDM-алгоритм, реализованный в этой программе основан на минимизации производных разностной кривой экспериментального и расчетного профиля рентгенограммы. Он позволяет не учитывать в расчетных процедурах форму линии фона, при этом разностная кривая, представляет фоновую составляющую рентгенограммы. Максимумы интенсивности на этой кривой в интервале углов дифракции 2=2832 соответствуют полукристаллическим гидросиликатам кальция, являющимися носителями прочностных свойств данного материала (рис. 7).
Рис. 7. DDM-диаграмма расчета образца с АГЗ.
1 - экспериментальные данные, 2 - расчетный профиль, 3 - разностная (фоновая) кривая. Штрихами обозначены брегговские маркеры отражений кристаллических фаз.
Точками на разностной кривой отмечены максимумы широких отражений C-S-H новообразований (d=3.04 и d=2.8, ICDD №33-0306).
Количественный полнопрофильный РФА показал снижение концентрации кварца от 16.5 мас.% в образце без АГЗ, до 8.3 мас.% в образце с гранулами. На основании полученных результатов можно полагать, что введение АГЗ в силикатные автоклавные материалы повышают реакционную активность кварцевой составляющей и интенсифицируют процессы образования C-S-H фаз (рис. 7). Модификации различных форм кремнезема образуют ряд чередующихся блоков от рентгеноаморфного опала до кристаллических кристобалита и тридимита высокой реакционной активности.
Образцы силикатного материала, отобранные на разных этапах обработки, показывают, что процессы насыщения матрицы проходят в первые 2-часа, а процессы минералообразования заканчиваются в течение 5,5 часов выдержки в автоклаве за счёт присутствия жидкой фазы, обогащённой ионами кремнезёма. При этом можно сократить продолжительность гидротермальной обработки силикатных изделий в автоклавах на два часа.
Разработаны технологические схемы производства силикатного кирпича и мелкоштучных силикатных блоков с АГЗ (рис. 8). Силикатные бетоны, после заливки их в формы, помещаются в автоклав, разрезаются на блоки размером 0,2х0,3х0,6м. Отходы резки, пропитанные гидросиликитами, с удельной поверхностью 250-300 м2/кг, возвращаются в шихтовое отделение (бункера 25) и служат компонентом сырьевой смеси. Они играют роль крентов при твердении в автоклаве композита.
Рис 8. Технология производства мелкоштучных силикатных блоков с АГЗ 1 - пластинчатый питатель; 2 - дезинтегратор; 3 - элеватор; 4,6,10, 19, 21 - бункер;
5,8,16,26,28 - ленточные транспортеры; 7 - ленточный весовой дозатор; 9 - грохот;
11,20 - шаровая мельница; 12 - винтовой питатель; 13 - двухкамерный пневмонасос;
14 - трубопровод; 15 - тарельчатый питатель; 17 - бегуны; 18 - лопастной смеситель;
22 - бункер для жидкого стекла; 23 - тарельчатый гранулятор; 24, 27 - шнековый питатель; 25 - бункеры с питателями; 28 - ванна для твердения силикатного бетона;
29 - автоклав; 30 - резательная установка; 31 - склад готовой продукции.
Анализируя свойства полученных силикатных материалов, следует отметить их низкую теплопроводность и относительно высокие значения прочности при изгибе. Силикаты натрия, выделяющиеся при автоклавной обработке из АГЗ, пропитывают матрицу, связывают портландит, залечивают микродефекты и неорганизованные поры силикатного материала, вдвое повышают значения коэффициента конструктивного качества. Отсутствие свободного портландита благоприятно сказывается на повышении водостойкости полученных изделий, который превышает значение 0,8, по этому параметру наш материал составит достойную конкуренцию керамическому кирпичу.
Обширный фактический материал, полученный в результате выполнения данной работы, следует систематизировать, с целью прогнозирования теплопроводности силикатного материала с замкнутой пористостью. Ряд авторов предложили формулы, которые описывают теплопроводность системы в зависимости от её пористости. В частности, мы традиционно используем для прогнозирования теплопроводности силикатных бетонов в зависимости от их пористости формулу Оделевского. Для пористой матричной структуры она выглядит на графике следующим образом (кривая 1, рис 8), однако недостатком используемых моделей является ряд допущений. Пористые материалы в системах рассматриваются как система параллельных цилиндрических каналов, при этом все поры принимаются как открытые. Фактически, для полученных силикатных материалов с АГЗ кривая зависимости теплопроводности от пористости в полученных изделиях имеет более крутой характер (кривая 6, рис. 8).
Рис. 9. Зависимость коэффициента теплопроводности от общей пористости материала по формулам: 1 - по Оделевскому В.И., 2 - по Кононенко В.И.,, 3 - по Коху Й.С., 4 - по Матюхину Н.М. Фактические значения при введении в силикат: 5 - керамзита; 6 - АГЗ.
Введение растворяющихся при автоклавной обработке гранул (АГЗ) в силикатный материал позволяет получать изделия с более развитой внешней поверхностью контакта с кладочными растворами. Образующиеся каверны на месте расположения гранул, при заполнении их раствором, существенно повышает прочность кладки в целом. Упрочнение кладочных растворов путем использования более прочного вяжущего (например, ТМЦ-50), добавок глинистых пород определенного генезиса и состава, полипропиленовой фибры для увеличения адгезии кладочных растворов к стеновому материалу, позволяет увеличить прочность кладки на срез в 25-30 раз. Экспериментально доказано, что при приложении внешней нагрузки данная кладка в этом случае разрушается не по поверхности контакта раствора со стеновым материалом, а по самому композиту (рис. 10). Повышенная монолитность каменной кладки существенно повышает сейсмическую стойкость сооружений (СНиП РК 2.03-30-2006 - Строительство в сейсмических районах).
Рис. 10. Характер разрушения силикатных материалов с АГЗ при использовании упрочненных кладочных растворов Для внедрения результатов диссертационной работы при производстве силикатных автоклавных материалов разработан пакет нормативных документов.
Промышленные испытания по получению силикатного стенового материала с использованием разработанного АГЗ на основе коркинской опоки были проведены на комбинате строительных материалов ЗАО Поревит, г.
Ялуторовск (Тюменская обл.); выпущена опытная партия. Получен силикатный кирпич с плотностью 1160 кг/м3, коэффициентом теплопроводности 0,Вт/(м К), пределом прочности при сжатии 17,8 МПа.
Экономическая эффективность производства и применения разработанного материала обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, возможностью снижения энергозатрат при производстве и получении материала с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками, уменьшением продолжительности изотермической выдержки при автоклавной обработке, т.е. повышении удельной производительности автоклавов, снижения толщины и веса стен в 1,4 раза без ухудшения их теплоизолирующих свойств. Повышенная адгезия к кладочным растворам позволяют расширить область применения полученных силикатови в сейсмостойком строительстве.
Введение АГЗ в состав различных силикатных материалов строительного назначения позволяет дополнительно понизить их теплопроводность и плотность, улучшить прочностные характеристики (табл. 3), усилить сцепление с кладочными растворами, что усиливает сейсмоустойчивость возводимых сооружений.
таблица 3.
Влияние АГЗ на свойства силикатных материалов ФизикоСиликатный Силикатный механические Газобетон Пенобетон кирпич бетон характеристики Содержание АГЗ 0% 35% 0% 35% 0% 35% 0% 35% Предел прочности 28,4 29,2/22,6* 18,2 21,5 2,5 3,6 2,1 3,при сжатии, МПа Предел прочности 3,98 5,42/4,21* 2,1 4,7 2,9 4,4 1.8 2,на изгиб, МПа Плотность, кг/м3 1880 1550/885* 1650 1610 600 590 700 6Теплопроводность, 0,78 0,31/0,27* 0,42 0,21 0,14 0,12 0,16 0,Вт/мК * кварцевый песок заменен на вспученный перлит Строительное материаловедение, а также геоника, большое внимание уделяют созданию новых высокопрочных, умных материалов. У них должна быть упорядоченная структура, формируемые новообразования обладают высокой прочностью и низкой теплопроводностью, обладать способностью самозалечивать дефекты структуры и ликвидировать разупрочняющую пористость. Этими свойствами обладают полученные нами силикатные изделия на стадии их изготовления и автоклавной обработки.
Разработка АГЗ явилась предпосылкой для создания нового класса линтеллектуальных силикатных автоклавных материалов конструкционнотеплоизоляционного назначения с существенно улучшенной сейсмостойкостью.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Предложены принципы повышения эффективности производства прессованных автоклавных материалов, заключающиеся в оптимизации пористой структуры и микроструктуры цементирующего вещества и формировании рационального состава новообразований, что обеспечивает высокие физико-механические характеристики изделий. Активный гранулированный заполнитель (АГЗ), обогащая материал силикатной матрицы ионами кремния, интенсифицирует фазообразование в системе СЦSЦH, способствует снижению рентгеноаморфной фазы и направленному образованию высокопрочных низкоосновных гидросиликатов, минуя стадию образования двухкальциевого гидросиликата.
2. Разработаны пути повышения сейсмостойкости кладки из силикатного стенового материала за счет увеличения поверхности сцепления его с кладочными растворами и увеличения прочности самих растворов путем использования ТМЦ, фибры и глинистых добавок определенного генезиса и состава.
3. Выявлен характер зависимости свойств силикатных материалов от количества и состава АГЗ. Соотношение аморфных форм кремнезема и гидроокиси натрия в исходных минеральных порошках, направляемых на грануляцию и, в дальнейшем служащих ядром АГЗ, определяет физикомеханических получаемых автоклавных материалов. Это позволяет повысить прочность готовых изделий и их атмосферостойкость, т.к. определяет силикатный модуль выделяющихся силикатов натрия. Высокомодульные гидросиликаты имеют большую степень полимеризации, имеют более укрупненный размер и создают более плотную и водонепроницаемую оболочку образующихся пор; в большой степени снижают водопоглощение силикатного изделия в целом, повышают морозостойкость.
4. Установлена взаимосвязь между параметрами автоклавной обработки (продолжительностью, температурой и давлением), фазовым составом и технико-эксплуатационными характеристиками силикатных материалов, заключающаяся в том, что введение 15-40 мас.% обеспечивает формирование гетерофазного полиминерального цементирующего вещества различной морфологии. Использование активного заполнителя позволяет снизить время изотермической выдержки на 25 % и обеспечивает при этом получение материалов необходимой прочности и низкой теплопроводности. Новизна технических решений получения и использования АГЗ подтверждается пятью патентами РФ.
5. Предложены составы силикатных автоклавных прессованных материалов с использованием гранулированного заполнителя на основе аморфного кремнезема, позволяющие получать изделия с пределом прочности при сжатии свыше 17 МПа, морозостойкостью свыше 50 циклов и теплопроводностью менее 0,2 Вт/Км, высокой адгезией к кладочным растворам.
6. На основании полученного экспериментального материала, построена зависимость величины теплопроводности силикатного материала, в том числе и с замкнутой пористостью, от величины пористости матричного материала и прогнозировать необходимую величину введения АГЗ, т.е. получать строительные силикатные изделия с заданными свойствами - теплопроводностью, плотностью, прочностью, водопоглощением, сорбционной влажностью и др.
7. Получены закономерности изменения свойств готовых изделий в зависимости от параметров автоклавной обработки, позволяющие оптимизировать физико-механические характеристики силикатных материалов с гранулированным заполнителем. Определены рациональные параметры гидротермального синтеза изделий в зависимости от технического состояния автоклавного оборудования, что позволяет существенно сократить энергоемкость производства силикатных материалов низкой теплопроводности и с прочностью, удовлетворяющей требованиям нормативных документов.
8. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ЗАО Комбинат строительных материалов заводе стеновых материалов Поревит, Тюменской области. Выпущена опытно-промышленная партия силикатного кирпича.
9. Для промышленного внедрения результатов научноисследовательской работы разработаны следующие нормативные документы:
- рекомендации по применению гранулированного заполнителя в качестве модифицирующей добавки для производства теплоизоляционных прессованных силикатных автоклавных материалов;
- стандарты организации СТО 02066339-006-2011, 02066339-007-2011, 02066339-008-2011, 0266339-009-2011, 0266339-010-2011 и 0266339-013-2011, 02066339Ц014Ц2010 Силикатный кирпич с использованием АГЗ; получены сертификаты соответствия по системе ГОСТ и рекомендации по их применению;
- технологический регламент на производство силикатного стенового материала с использованием активного гранулированного заполнителя.
Получен социальный эффект - экологическое оздоровление окружающей среды, разработаны безотходные технологии получения стеновых силикатов и повышения сейсмической надежности зданий и сооружений.
Системный подход при проведении комплексных теоретических и экспериментальных исследований позволил разработать новые теплоизоляционно-конструкционные силикатные материалы, обладающие высокой адгезией к кладочным растворам, что позволяет повысить сейсмоустойчивость кладки.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Воронцов В.М. Стеновые неокомпозиционные материалы на основе автоклавных силикатных бетонов [Текст] / В.М Воронцов, А.В. Мосьпан // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии. XVIII научные чтения: Сб. докладов Международной научно-практической конференции. - Белгород, 2007. - С. 37-41.
2. Мосьпан А.В. Новые конгломератные строительные силикатные композиты автоклавного твердения с регулируемыми целевыми характеристиками [Текст] / А.В. Мосьпан // Успехи в химии и химической технологии:
Сб. научных трудов РХТУ им. Д.И. Менделеева. - М., 2008. Том XXII. - № (87). - С. 83-86.
3. Мосьпан А.В. Конгломератные строительные материалы автоклавного твердения с улучшенными теплофизическими характеристиками [Текст] / А.В. Мосьпан // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: Сб. докладов III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Пенза. ПГУАС. 2008. - С. 90-93.
4. Соловьёва Л.Н. Современные строительные теплоэффективные материалы [Текст] / Л.Н. Соловьёва, А.В. Максаков, А.В. Мосьпан // Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях: Сб. науч.
докладов. Междунар. конф. - Якутск. 2009. - С. 85-87.
5. Строкова В.В. Конструкционные ячеистые стеновые материалы с пониженной теплопроводностью на основе активных гранулированных заполнителей [Текст] / В.В. Строкова, А.В. Мосьпан, В.М. Воронцов, А.В.
Максаков // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. - 2010. - № 1. - С. 42-46.
6. Строкова В.В. Стеновые автоклавные силикатные материалы пониженной теплопроводности с применением гранулированных заполнителей из кремнеземсодержащего сырья [Текст] / В.В. Строкова, И.В. Жерновский, А.В. Мосьпан, А.В. Максаков // Строительные материалы. - 2010. - № 6. - С.
70-71.
7. Мосьпан А.В. Регулирование свойств бесцементных силикатных материалов автоклавного твердения при использовании гранулированных наномодифицирующих поризаторов [Текст] / А.В. Мосьпан, В.М Воронцов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Сб. докладов XIX Международной научно-практической конференции. - Белгород, 2010. Ч.1. - С. 231-235.
8. Лесовик В.С. Конструкционные ячеистые силикатные материалы автоклавного твердения с пониженной теплопроводностью [Текст] / В.С. Лесовик, В.М. Воронцов, А.В. Мосьпан // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: Материалы областной научно-практической конференции. - Белгород, 2011. Ч.3. - С. 44-50.
9. Пат. № 2361838 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный композиционный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе кварцевого песка, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Воронцов В.М.;
заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. Ц№ 2007142320/03;
заявл. 15.11.2007г.; опубл. 20.07.2009г., Бюл. № 20. - 10 с.
10. Пат. № 2361839 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе кремнистых цеолитовых пород, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Воронцов В.М., Лесовик Р.В.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. Ц№ 2007142318/03; заявл. 15.11.2007г.; опубл. 20.07.2009г., Бюл. № 20. - 10 с.
11. Пат. № 2365555 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный композиционный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе трепела, диатомита и опоки, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Воронцов В.М., Лесовик Р.В., Ходыкин Е.И.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. Ц№ 2007142319/03; заявл. 15.11.2007г.; опубл.
27.08.2009г., Бюл. № 24. - 12 с.
12. Пат. № 2365556 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Гранулированный композиционный заполнитель для силикатных стеновых изделий на основе перлита, состав сырьевой смеси для изготовления силикатных стеновых изделий, способ получения силикатных стеновых изделий и силикатное стеновое изделие / Гридчин А.М., Строкова В.В., Лесовик Р.В., Мосьпан А.В., Воронцов В.М.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. Ц№ 2007142316/03; заявл. 15.11.2007г.; опубл. 27.08.2009г., Бюл. № 24. - 7 с.
13. Пат. № 2433976 РФ, МПК8 С 04 В 28/18. Способ изготовления гранулированного заполнителя для силикатных изделий автоклавного твердения / Лесовик В.С., Мосьпан А.В., Строкова В.В., Лесовик Р.В., Воронцов В.М.;
Заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. Ц№ 2010119770/03;
заявл. 17.05.2019г.; опубл. 20.11.2011г., Бюл. № 32. - 7 с.
14. Лесовик В.С. Прессованные силикатные изделия на гранулированных заполнителях [Текст] / В.С. Лесовик, А.В. Мосьпан // Известия КГАСУ.
- № 3(21). - Казань. КГАСУ. 2012. - С. 144-150.
15. Лесовик В.С. Силикатные изделия на гранулированных заполнителях для сейсмостойкого строительства [Текст] / В.С. Лесовик, А.В. Мосьпан, Ю.А. Беленцов // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. - 2012. - № 4. - С. 62-65.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность кандидату технических наук, профессору Воронцову Виктору Михайловичу за консультации и активное участие в обсуждении результатов работы.
МОСЬПАН Александр Викторович ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЙ СИЛИКАТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНЫХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ 05.23.05 Строительные материалы и изделия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 26.04.12. Формат 6084/16. Усл. печ. л.
Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям