Содержание к диссертации
Введение
1. Предпосылки для разработки технологии получения эффективного пенобетона методом обработки в электро гидротеплосиловом поле (ЭГТСП) 11
1.1. Состояние производства и постановка вопроса. 11
1.2. Принятые технологические схемы изготовления и резервы совершенствования пенометода . 18
1.3. Обоснование выбора инновационной технологии пенобетона 22
1.4. Выводы по главе 26
2. Цель, задачи, рабочая гипотеза и общая методология исследований 27
2.1. Цель, задачи исследований. Рабочая гипотеза 27
2.2. Характеристика сырьевых материалов 30
2.3. Методика проведения экспериментов 33
2.4. Математическое планирование эксперимента и системный анализ технологии 40
2.5 Выводы по главе 54
3. Закономерности создания эффективного пенобетона интенсивным методом 55
3.1. Теоретические предпосылки создания эффективного пенобетона комплексным воздействием на пеномассу электрогидротеплосиловым полем 56
3.2. Обоснование выбора пенообразователя для технологии самоуплотненных пеномасс 79
3.3. Исследование процессов тепло- и массопереноса и формирования структуры пенобетона в условиях интенсивного воздействия ЭГТСП 84
3.4. Исследование влияния температур и давления на гидратацию вяжущего при воздействии ЭГТСП 107
3.5. Выводы по главе 116
4. Результаты лабораторных испытаний, исследований структуры и физико-технических свойств активированного пенобетона 118
4.1. Экспериментально-теоретическое обоснование создания пенобетона под воздействием избыточного давления от расширения воздушных пор пеноси-стемы 118
4.2. Исследования структуры и свойств пенобетона 129
4.3. Механические и теплофизические свойства изучаемого пенобетона 136
4.4. Выводы по главе 149
5. Разработка технологии активированного пенобетона. производственные испытания и технико-экономическое обоснование предложенной технологии 150
5.1. Методика управления технологическими параметрами 150
5.2. Перспективы развития технологии производства пенобетона с применением обработки в ЭГТСП 157
5.3. Разработка технологической линии производства стеновых блоков из активированного пенобетона 160
5.4. Производственная проверка исследований 168
5.5. Технико-экономическое обоснование разработанной технологии 170
5.6. Выводы по главе 176
Основные выводы
Библиографический список
- Принятые технологические схемы изготовления и резервы совершенствования пенометода
- Математическое планирование эксперимента и системный анализ технологии
- Исследование процессов тепло- и массопереноса и формирования структуры пенобетона в условиях интенсивного воздействия ЭГТСП
- Исследования структуры и свойств пенобетона
Принятые технологические схемы изготовления и резервы совершенствования пенометода
Емкость рынка потребления теплоизоляционных материалов обладает значительным резервом и определяется тремя факторами: реализацией федеральной целевой программы «Жилище» на 2016-2020 гг., ужесточением требований по тепловой защите зданий (сооружений) и принятием закона «Об энергосбережении и энергоэффективности» [142,151,152].
Во многом этим объясняется спад производства строительных материалов более чем на четверть, вызванный еще не преодоленным финансово-экономическим кризисом 2008-2009 гг., но который практически не повлиял на производство ячеистых бетонов, общий объем которого по некоторым данным даже вырос за это время на 25…30% [116,151]. Это связано с развитием индивидуального и комплексного малоэтажного строительства с применением технических решений, включающих ячеистые бетоны, которые обладают наиболее оптимальным комплексом физико-технических свойств и удовлетворяют современным требованиям безопасности, энергоэффективности, качества и доступности.
Комфортное и современное жилье остается недоступным для большинства граждан. Федеральная целевая программа «Создание условий для обеспечения доступным и комфортным жильем граждан России» на 2013-2020 годы и е подпрограмма «Жилище» на 2016-2020 годы направлены на: повышение уровня обеспеченности населения жильем до 24 м2 на человека; активное участие в жилищном строительстве жилищных некоммерческих объединений граждан и индивидуальных застройщиков; содействие внедрению новых современных, энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий в жилищное строительство и производство строительных материалов (используемых в жилищном строительстве); создание условий для увеличения объема капитального ремонта и модерниза ции жилищного фонда для повышения его комфортности и энергоэффективности; обеспечение граждан жильем по стандартам обеспеченности жилыми помещениями, рост жилищного строительства; развитие финансово-кредитных институтов рынка жилья и обеспечение повышения доступности жилья[39].
Требования по повышению энергоэффективности во многом определяют объемы производства теплоизоляционных материалов. Борьба за снижение энергопотерь происходит во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в промышленности теплоизоляционных материалов. В качестве энергетической эффективности в строительстве принимается комплекс мероприятий по снижению расхода энергоресурсов, требуемых для обеспечения комфортных условий проживании внутри помещений здания. Они напрямую связаны с вопросами энергосбережения. В стройиндустрии под энергоэффективностью принимают комплекс мероприятий, направленных на снижение энергозатрат при производстве продукции. Таким образом, данные проблемы являются особенно актуальными, поэтому массовое применение энергоэффективных ограждающих конструкций является одним из способов реализации указанных мероприятий. Согласно источнику [2], основная часть энергетических потерь – тепло, поэтому наращивание применения энергоэффективных материалов в строительстве регламентируется нормативными и законодательными актами. В частности, в целях реализации положений Указа Президента РФ от 4 июня 2008 г. №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» был принят №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», включающий СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003), принятый согласно постановлению Правительства РФ №18 от 25 января 2011 г «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». По этим нормативным актам требования энергетической эффективности должны предусматривать уменьшение показателей удельного расхода энергоресурсов на здание по сравнению с базовым, нормируемым в 2003-2010 гг., уровнем: на 30% с 2016 г и на 40% с 2020 г. Он стимулирует создание новых технических решений и способов соблюдения нормативов по теплосбере-жению. По новым нормативам приведнное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, и пokрытий, увеличено в 1,2 – 1,75 раза относительно предыдущего этапа повышения, и в 3 – 3,5 раза по сравнению с нормами 2000 г. В связи с этим существующие конструктивные решения ограждающих конструкций пересматриваются для повышения термического сопротивления и продления сроков эксплуатации, что открывает новые возможности перед совершенствованием технологий теплоизоляционных материалов.
Приоритетным направлением выхода из жилищного кризиса в новой программе «Жилище» на 2016—2020 гг. полагается развитие сегмента жилья эконом-класса и продвижение передовых энергоэфективных и экологичных технологий в его строительстве при средней цене 1 м2 общей площади, определнной Минре-гионом России, до 30 тыс. р. [99,151]. По мнению экспертов-аналитиков, именно малоэтажное домостроение (в том числе с применением ячеистых бетонов), благодаря низкой стоимости и высоким темпам строительства, способно выправить ситуацию, предложив рынку недорогое и качественное жилье.
На конец 2010 г. объем выпускаемых изделий и конструкций из ячеистых бетонов автоклавного твердения (преимущественно в виде мелких стеновых блоков) составляет около 6,1 млн. м3. Производство аналогичной продукции из неавтоклавного ячеистого бетона - 2,6 млн. м3. Суммарно это примерно 14,1 млн. м2 или 23,5 % от общей введенной в 2010 г. площади 60 млн. м2 [148].
По прогнозу на 2015 г. объем производства автоклавного и неавтоклавного ячеистого бетона (9,2 млн. м3 и 5,4 млн. м3 соответственно) составит 14,6 млн. м3, а с учетом армированных изделий из таких материалов - примерно 23,3 млн. м3. Часть ячеистых бетонов при этом используется в каркасно-монолитном строительстве жилых, административных и производственных зданий для устройства ограждающих конструкций, внутренних стен и перегородок. По данным [112,148] производство ячеистого бетона в 2020 г. достигнет 15 млн. м3 автоклавного твердения (включая 20 % армированного) и 8,1 млн. м3 — неавтоклавного, что в пересчете на квадратные метры общей площади составит 36,16 млн. м или 25,6 % от общего объема планируемого ввода жилья в 2020 г.
В Поволжье большую часть ячеистого бетона производит предприятие «Коттедж» (Самарская обл.) на оборудовании фирмы «YTONG (ИТОНГ)», Ижевский Завод Ячеистых Бетонов, завод «Кирпич силикатный» (Мордовия), вятский «Кировгазосиликат».
Основные на Урале производители ячеистых бетонов: завод «Бетфор», Рефтинский завод газозолобетонных изделий; «Теплит» (самый крупный завод в регионе - 220 тыс. м3 в год), начавший работу в конце 2004 г.
Кроме перечисленных крупных заводов в Костроме, Твери, Рязани, Ступино, Калуге, Люберцах, Озерах, Дубне, Ростове-на-Дону, Белгороде работают заводы меньших мощностей.
Что касается импорта подобной продукции, то в центральные регионы наиболее значительные поставщики - предприятия Республики Беларусь: заводы «Забудова», Гродненский КСМ, Гомельстройматериалы, Могилевский КСИ, «Оршастройматериалы». Поставки блоков из ячеистого бетона в северо-западные регионы осуществляет Эстонское предприятие «Силбет».
Математическое планирование эксперимента и системный анализ технологии
Физико-механические, теплофизические свойства пенобетона зависят от способа приготовления формуемой массы, характера пор и их распределения, вида пенообразователя, характеристик вяжущего и ряда других факторов [132].
Согласно источнику [110], главная практическая задача технологии неавтоклавных пенобетонов заключается в обеспечении стабильных по величине и устойчивых во времени характеристик замкнутого порового пространства, гарантирующих получение материала с заданными характеристиками распалубочной и отпускной прочности за приемлемый срок.
Основной характеристикой, определяющей прочность и теплопроводность пенобетона является его пористость, которая слагается из макропористости (Пяч -поры ячеек) и микропористости (Пг - поры геля). Охарактеризовать е можно по величине средней плотности: Рср =/(Пяч + Пг) (1.1) Упаковка пор и дисперсия их размеров характеризует ячеистую пористость. Максимально идеализированный эффект в условиях наиболее плотной упаковки пор достигается при кубической и гексагональной [53].
По результатам анализа литературы [68,176,179181,182], было выявлено, что многогранная форма пор (рис.1.1,б) предпочтительнее шарообразной (рис.1.1,а), поскольку при формировании шарообразной ячеистой структуры, и без того малое количество вяжущего неоднородно распределяется по объему материала, образуя сообщающиеся поры неправильной формы [68]. Однако структуру с шарообразными порами получить технологически проще, поскольку распределение минерального компонента в толстых, насыщенных водой стенках 2 (рис.1.1, а) происходит более интенсивно, не нарушая структуру пены его острыми кромками (при трехстадийной технологии) и позволяет получить большую кратность (при приготовлении в один прим). Степень достижения многогранной формы пор-ячеек можно определить по процентному содержанию воздуха в объеме. Однако для сохранения высоких прочностных характеристик необходимо соблюдение таких параметров пориза-ции, при которых будет обеспечено создание пор с плотной глянцевой поверхностью. В этих целях в пеносистеме снижают поверхностное натяжение [53,98] путем введения ПАВ.
Варианты форм пор в пенобетоне: шарообразная с водонасыщенными межпоровыми перегородками (а) и многогранная гексагональная (б)
Известно, что для получения качественной пеномассы требуется повышенное содержание воды, а В/Ц должно составлять 0,5…0,9. [68,127,162,169]. Дальнейшее участие этой воды при схватывании и наборе прочности оказывает только отрицательное воздействие: не участвующая в гидратации вяжущего физически связанная вода не позволяет получить распалубочную прочность в ранние сроки (что ведет к сокращению оборачиваемости форм), а после е испарения контрак-ционная пористость цементного камня в межпоровых перегородках не позволяет получить высокие показатели морозостойкости и водонепроницаемости и, как следствие, теплопроводности в естественных условиях [63,156]. Помимо этого в массиве наблюдается явление закупоривания влаги, образуя неоднородность плотности и влагосодержания и увеличивая фактическую плотность на 100… 150 кг/м3 вместо предполагаемой. Это снижает теплозащитные свойства материала, вызывая перерасход отопительной энергии или промерзание стен. Центральным решением по снижению теплопроводности пенобетона является повышение ячеистой пористости и снижение капиллярной (во избежание защемления в ней гигроскопической влаги в процессе эксплуатации). Согласно источнику [53] снижение рср на 100 кг/м3 ведет к снижению теплопроводности на 20%. Большое количество воды, необходимое для получения однородной пено-массы воздействует не только на микропористость материала, но и на гидратацию вяжущего [25,166,175,184,187,102]. Согласно исследованиям Баженова Ю.М., Волженского А.В. и иностранных исследователей [13,28,144] при полной гидратации цементного вяжущего в химическую связь с ним вступает 20-25 % воды от массы цемента. После гидратации (ок. 90 %), между новообразованиями гидросиликатов в цементном геле образуются микропустоты размером меньше, чем наименьший размер зерен новообразований и остается остаточная гелевая пористость в виде пустот и отдельных замкнутых микропор [35,83,95,143,183]. Исследования [119,143,165] доказывают, что процессы гидратации в ячеистом неавтоклавном пенобетоне к 28 суткам составляют лишь 60-70 %. Эти явления сказываются на его прочности (рис. 1.2). Вследствие этого требуется вызревание изделий в течение 60-70 дней [82] до набора монтажной прочности. Все это является причиной повышенного расхода цемента, снижения производительности, увеличения парка форм.
Исследование процессов тепло- и массопереноса и формирования структуры пенобетона в условиях интенсивного воздействия ЭГТСП
Рентгеноразовый анализ (РФА) - метод исследования атомно молекулярного строения веществ, главным образом кристаллического строения, в основе которого лежит изучение дифракции, возникающей от взаимодействия рентген-излучения с длиной волны 0,1 нм и образца. Анализ выполнялся на рентгеновском дифрактометре АRL ХТrа (Тhеrmо Fishеr Sсiеntifiс Inс.) (рис. 2.6,б). Дифрактометр работает с порошкообразными образцами.
По полученным предварительно расшифрованным рентгенограммам и рассмотренным совместно с результатами микроструктурного и химического исследования, определяют минеральный состав образца. Идентификация минералов проведена по общепринятым фундаментальным трудам [36,124,173,185].
Морозостойкост ь Исследования морозостойкости осуществлялись по ускоренной методике при -50 С в автоматическом режиме по заданной программе в климатической камере WK3-190/70 фирмы WEISS (Германия). Задаваемая температура: от – 72 С до + 180 С; влажность: 10...98 %. Максимальная загрузка камеры 100 кг. 2.4. Математическое планирование эксперимента и системный анализ технологии
Экспериментальные исследования проводили основываясь на математическом планировании и обработки результатов методом peгрeccиoннoгo aнaлизa вapьиpyeмыx фaктopoв. В эксперименте использовалась матрица математического планирования и методы обработки результатов, приведнные в [51]. Результаты эксперимента обработаны с помощью программного комплекса MS Excel. Составлена и принята матрица эксперимента, представленная в таблице 2.5. Полученные модели свойств и результатов их оптимизации интерпретировали с применением специализированных компьютерных программ [51,129].
Принята двухфакторная матрица эксперимента в трх уровнях. Адекватность полученных уравнений регрессии и правильность численных значений функций цели (свойств), имеющих нормальное распределение, проверялись по критериям Фишера и Стьюдента.
Величину коэффициентов b компьютер определяет автоматически. Варьирование факторов Х1 и X2 проводилось для обеспечения требуемых по условиям эксплуатации свойств. Cтeпeнь воздействия изменяющихся фaктoрoв на рeзyльтaт oцeнивaлacь пo aбcoлютнoй вeличинe коэффициентов b. 2.4.1. Системный анализ технологии получения пенобетона в электро-гидротеплосиловом поле и математическое моделирование процессов его изготовления
Технология получения пенобетона в гидротеплосиловом поле является многостадийным процессом. Для его изучения используется системный подход с выбором вида модели проведения эксперимента, получением конкретной модели и е использованием в целях научно-технической интерпретации и оптимизации.
Каждый отдельный элемент системы адекватен основному технологическому переделу. На 1-ом этапе [129] устанавливают все оказывающие влияние на результат факторы. Далее из них определяютют группы главных, получают зависимости функций цели от факторов конкретного технологического передела, т. е. уравнения регрессии. Они и являются моделями свойств.
Блок-схема технологии пенобетона представлена на рис. 2.7. Она включает переделы приготовления пенобетонной смеси, ее формование, совмещенное с тепловой обработкой и термосным выдерживанием, тепловлажностную обработку отформованных изделий. Предварительный анализ позволил выявить наиболее влияющие на результат группы факторов. Поиск оптимума осуществляется на отдельных технологических переделах: — приготовление пеномассы; — электропрогрев формуемой массы; — тепловлажностная обработка изделий.
На блок-схеме, рисунок 2.7 и в таблице 2.6 представлены основные факторы, входящие в технологию изготовления пенобетона по электротехнологии. Для каждого технологического передела было проведено математическое планирование эксперимента с определением функций цели.
Средняя плотность изделий, кг/м3 – ФЦ Х26(Y6) Результирующие пара Прочность изделий после ТВО, МПа – ФЦ Х27(Y7) Теплопроводность изделий, Вт/м оС – ФЦ Х28(Y8) Примечание: ФЦ – функция цели; К – константа в эксперименте. 2.4.2 Оптимизация состава пеномассы
Целью данного технологического передела является получение однородной пенобетонной смеси заданной средней плотности, с достаточной удобоуклады-ваемостью для транспортировки и укладки в формы.
Средняя плотность пеномассы, отнесенная к 1 м3, есть сумма основных компонентов на 1 м3: портландцемента (Хj), пенообразователя (Х2) и воды.
Расход воды (Хп) устанавливается экспериментально при постоянной подвижности (П), равной 33 см (по вискозиметру Суттарда).
Для оптимизации состава смеси было использовано двухфакторное математическое планирование в трех уровнях (табл. 2.7). Это необходимо для получения зависимостей функций цели от факторов (расхода компонентов) (рис. 2.8, 2.9). В ходе проведения экспериментов было установлено, что на свойства смеси в наибольшей степени оказывают влияние: - смесительное устройство (его вид); - характер вращения вала смесителя (частота); - время перемешивания.
Влияние этих факторов имеет детерминированный характер и при оптимизации передела статистические методы не применялись. В соответствии с принятой классической трехстадийной технологией использовался смеситель принудительного действия с частотой вращения вала 80 мин"1 и временем перемешивания - 7 минут. Факторами влияния были выбраны: Хi - расход вяжущего вещества (Ц); Х2 - расход пенообразователя (ПО). Экспериментально было установлено, что оптимальная влажность смеси составляет 56 % от массы минеральных компонентов.
Исследования структуры и свойств пенобетона
Цементная матрица материала, полученного в ЭГТСП, обладает повышенной степенью гидратации и стабильностью химико-минералогического состава и дисперсности пор. Показатель прочности, достигающей 0,758 МПа (31%) в возрасте 10 часов при условии проведения ТВО достаточен для операций кантования, складирования и упаковки готовых изделий.
Усадочные деформации изучали через сутки с момента извлечения блоков из тепловой камеры. Основными факторами возникновения трещин являются: перепад влажности между центральным и поверхностным слоями образца, коэффициент влажностных деформаций, кинетика влагообменных процессов с внешней средой и внутренней влагомиграции. Скорость миграции влаги в материале зависит от структуры материала, поверхности, межпоровых перегородок, объема пор. Такой процесс возможен при высокой относительной влажности окружающей среды или высокой капиллярной пористости материала, обеспечивающей повышенную влаго- и паропроводность. Для оценки объемных изменений и тре-щиностойкости материала следует рассматривать объемную усадку и объемный модуль упругости
Для пенобетонов средней плотности ( 700кг/м3) такой подход к оценке характеристик трещиностойкости и деформационности в связи с большой усадкой является наиболее целесообразным. На рис.4.15 (б) показана кинетика изменения влажностно-контракционной линейной и объемной усадок образцов плотностью 500 кг/м3 на оптимальных составах. Характер кривых, характеризующих усадку предлагаемого пенобетона и контрольного, совпадает, но они имеют разные количественные показатели.
На рис.4.15 (а), наряду с усадкой, представлен график изменения влажности обработанного в ЭГТСП и контрольного образцов в процессе их естественной сушки на воздухе. Как видно из рисунка, за 6 дней влажность образцов, независимо от их начальной влажности (42% и 60%), достигает равновесного значения (4-6%). Примечательно, что влажность образцов, не проходивших обработку в ЭГТСП, также через 6 дней достигает равновесного значения. Следовательно, начальная влажность образцов практически не влияет на единовременное достижение равновесной влажности. Период интенсивного обезвоживания и усадки в среднесрочной перспективе (до 5-10 сут) характеризуется близкой к линейной зависимостью от потери влаги и максимальным значением коэффициента влажно-стной усадки - 0,12...0,14 мм/м-W %.
Усадка пенобетона разных составов в этот период в 1,7...2 раза превышает е в последующий период до стабилизации усадки на 60 сутки. Наименьшей усадкой в обоих периодах, как видно из рисунка, обладает пенобетон, полученный по предлагаемой технологии, что объясняется структурирующим и диспергирующим действием самоуплотнения в ЭГТСП под воздействием электрического тока, обеспечивающим уплотнение структуры цементного камня и стремление к одинаковым размерам замкнутых пор, из которых может испаряться вода при относительной влажности воздуха (60±5)%.
Динамика влажности (а), линейная и объемная усадка образца (б) средней плотностью 500 кг/м3 при формования с обработкой в ЭГТСП (экспериментальная кривая) и без самоуплотнения (контрольная кривая)
Дальнейшая усадка образцов по достижении равновесной влажности происходит при постоянной массе, что обусловливается главным образом карбонизацией гидратных соединений цементного камня при относительной влажности воздуха 50%. Повышенная интенсивность е прохождения обусловлена также высокой пористостью и малой влажностью материала.
Прочность, влажность, водопоглощение, отношение к действию воды, огня и другим воздействиям определяют строительно-эксплуатационные свойства. Эксплуатационная влажность пенобетона в ограждающих конструкциях составляет 5-7%. Такие низкие показатели свидетельствуют о преимущественно закрытом характере пористости.
Сорбционную влажность пенобетона определяли по методике ГОСТ 24816-81. Она характеризует способность материала поглощать парообразную воду из окружающего воздуха. Численно равна его влажности в равновесном состоянии и определяет теплотехнические свойства материала и в целом ограждающих конструкций зданий при эксплуатации. Сущность метода заключается в доведении образцов материала до равновесного состояния в искусственно созданных паровоздушных средах, имеющих относительную влажность воздуха 40, 60, 80,90 и 97 % при t = 20С.
Сорбционная влажность неавтоклавного пенобетона (табл.4.6) со временем, как показано в работах [74,114], уменьшается в связи с перекристаллизацией и укреплением начальных гидратных соединений и их карбонизацией.