Введение к работе
Актуальность. Экономия топливно-энергетических ресурсов, повышение эффективности тепловой защиты зданий и сооружений, внедрение энергоэффективных материалов и технологий являются приоритетными направлениями в развитии российской и мировой строительной индустрии.
Одним из эффективных строительных материалов на сегодняшний день является ячеистый бетон. На практике широкое применение нашли изделия из газобетонов автоклавного твердения, производство которых организовано на крупных автоматизированных предприятиях, требующих больших инвестиционных вложений.
Из ячеистых бетонов неавтоклавного твердения на современном этапе развития малого и среднего бизнеса востребована технология неавтоклавного пенобетона, преимуществами которой является малая фондоемкость и малая себестоимость продукции.
Газобетон неавтоклавного твердения в настоящее время не находит должного применения в связи с отсутствием принципов управления процессами структурообразования композита для обеспечения его высоких эксплуатационных свойств.
Решение вопросов эффективного производства и применения ячеистых бетонов возможно на высокопоризованных материалах с заданными характеристиками, полученных с использованием композиционных вяжущих, применение которых обеспечит возведение энергоэффективных ограждающих конструкций с оптимальными технико-экономическими показателями.
Работа выполнена в рамках задания Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ 10200504559 «Управление процессами структурообразования цементного камня при синтезе высокоэффективных ячеистых бетонов» (2005-2009), МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом топоморфизма сырья» (2007-2008), 102007082232 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» (2007-2011), «Разработка теоретических основ получения высококачественных бетонов нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных модификаторов» (2010-2012) и Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг.
Цель работы. Повышение эффективности газобетонов неавтоклавного твердения за счет управления процессами формирования структуры в дисперсной системе с композиционным вяжущим.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
обосновать принципы формирования пористой структуры газобетонов неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих и разработать основы создания оптимальных структур высокопоризованных композитов;
выявить роль ингредиентов в составе композиционного вяжущего и разработать принципы получения на его основе газобетона с улучшенными свойствами;
разработать приемы управления свойствами формовочных смесей газобетона с малодефектной поровой структурой;
- разработать технологические приемы формирования
структуры на начальных этапах твердения для повышения
эффективности ячеистого бетона;
- установить взаимосвязь рецептурных и технологических
факторов при получении неавтоклавного газобетона на
композиционных вяжущих с улучшенными свойствами;
- произвести промышленную реализацию результатов
исследований и оценить их технико-экономическую эффективность.
Научная новизна работы. Выявлены закономерности процессов формирования структуры ячеистого бетона и разработаны принципы повышения эффективности неавтоклавных газобетонов за счет применения композиционных вяжущих, а также управления процессами формирования поровой структуры в трехфазной дисперсной системе и совершенствования технологических приемов изготовления ячеистобетонных изделий, заключающиеся в формировании состава и гранулометрии вяжущих, которые соответствуют структуре тонких межпоровых перегородок, управлении свойствами смесей для сочетания процессов порообразования и структурообразования с учетом целенаправленного воздействия на баланс сил, действующих в дисперсной системе при образовании поровой структуры.
Установлен характер влияния состава и гранулометрии компонентов композиционных вяжущих с наполнителями различного генезиса и модификаторов вяжущего на свойства ячеистобетонных смесей и характеристики неавтоклавного газобетона. Композиционные вяжущие с полимодальным распределением частиц обеспечивают формирование оптимальной микроструктуры цементного камня межпоровых перегородок за счет самоорганизации и плотной упаковки частиц, что способствует ускорению процессов структурообразования и повышению прочности на ранней стадии твердения газобетона.
Выявлена роль компонентов композиционных вяжущих на формирование свойств поризованных формовочных масс, что обеспечивает получение стабильных малодефектных пористых структур и повышение функциональных показателей качества неавтоклавных газобетонов. Предложено пять стадий роста пор и деление пор по размерам. В современных ячеистых бетонах со средней плотностью менее D500 значимыми являются капиллярные явления за счет переменной кривизны поверхности газовых пор.
Выявлены особенности управления процессами образования ячеистой структуры газобетона, основанные на балансе сил в трехфазной дисперсной системе на модели «газовая пора -формовочная смесь» и предложена коалесцентно-агрегативная схема формирования пористости газобетонной смеси. Показано, что в соответствии с уточненным уравнением Рэлея-Плессета определяющим фактором при формировании ячеистой структуры газобетона является давление над поризуемой смесью, причем эффект поризации достигается за счет снижения внешнего давления до уровня вакуума, соответствующего 0,06...0,095 МПа. Учет фактора внешнего давления позволяет поризовать высоковязкие композиции с введением газообразователя, а также формировать пористую структуру композиций воздухом, вовлеченным и адсорбированным минеральным наполнителем композиционного вяжущего.
Развиты представления о динамике процесса формирования ячеистой структуры газобетонов неавтоклавного твердения как единичных ячеек, что позволило за счет использования разработанных композиционных вяжущих и технологических приемов производства улучшить свойства неавтоклавных газобетонов. Получены теплоизоляционный газобетон неавтоклавного твердения D300, В\, X = 0,07 Вт/(мС), F35; конструкционно-теплоизоляционный газобетон D400, 51,5, X = 0,08 Вт/(мС), F50; D500, 52,5 X = 0,10 Вт/(мС), F50, которые превышают по характеристикам свойства традиционных ячеистых бетонов неавтоклавного твердения.
Практическая значимость. На основе выявленных
закономерностей формирования пористой структуры обеспечена повышенная эффективность газобетона неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих. Стабильные малодефектные структуры способствуют получению улучшенных функциональных показателей качества неавтоклавных газобетонов. Это связано с одновременным управлением процессами структурообразования твердеющей системы на композиционных вяжущих в межпоровых перегородках за счет самоорганизации в системе, процессами формирования улучшенной
пористой структуры ячеистого бетона, а также совершенствованием технологических приемов изготовления изделий.
Композиционные вяжущие с содержанием клинкерной составляющей до 70 % и с прочностью на сжатие не менее 80 МПа получены за счет использования энергетического потенциала наполнителей различного генезиса при полимодальном распределении частиц вяжущего и модификатора вяжущего и управлении пористой структурой смесей на их основе. Разработаны математические модели и оптимизирован процесс производства неавтоклавного газобетона на композиционных вяжущих исходя из рецептурных и технологических факторов производства. Уточнена методика расчета количества газообразователя, учитывающая давление газа в порах вспучивающейся смеси, ее реологические свойства, среднюю плотность, высоту массива, внешнее воздействие на смесь, что в совокупности с характеристиками композиционных вяжущих способствует получению высокопоризованных композитов с заданными свойствами при минимальных затратах.
Установлена взаимосвязь между давлением газовой фазы в формовочной массе с ее реологическими и гравитационными свойствами, диаметром пор, давлением внешней среды и поверхностным натяжением раствора, уточнено уравнение Рэлея-Плессета, что позволило обосновать оптимальные режимы получения качественной высокопоризованной структуры с управлением внешним давлением газовой фазы, обеспечивающие возможность поризовать высоковязкие композиции и получать неавтоклавный газобетон с улучшенными свойствами.
Разработанные композиционные вяжущие и принципы управления процессами образования пористой структуры положены в основу технологии изготовления изделий из газобетона неавтоклавного твердения с улучшенными свойствами, технологии монолитного газобетона, технологии сухих строительных смесей для изготовления ячеистого бетона.
Разработана программа «Автоматизированное проектирование структуры ограждающих конструкций для энергоэффективного строительства» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010616561).
Результаты работы защищены патентами Российской Федерации и внедрены в учебный процесс.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятиях ООО «Экспериментальный цех Экостройматериалы», 000 «Экостройматериалы», 000 «ПромИндустрия», ОАО «БЗ ЖБК-1»,
ОАО «Стройдеталь», ООО «Поробетон», 000 «Стройколор ЖБК-1», ЗАО «Белгородский цемент» Белгородской области. Газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих применен при строительстве индивидуальных жилых домов, использован при обустройстве оснований под полы при строительстве Белгородской художественной галереи и в качестве теплоизоляции в колодцевой кладке стен.
Разработаны нормативные и технические документы:
стандарты организации СТО 02066339-008-2009 «Композиционное вяжущее для неавтоклавных ячеистых бетонов», СТО 02066339-002-2009 «Сухие строительные смеси для неавтоклавных ячеистых бетонов», СТО 02066339-003-2011 «Композиционное вяжущее для газобетонов»;
- технологические регламенты и рекомендации на производство блоков стеновых мелких из ячеистого бетона в ООО «ПромИндустрия», на производство сухих строительных смесей для пеногазобетонов в ООО «Экостройматериалы», на производство теплоизоляционного газобетона с композиционным вяжущим для монолитного строительства в ООО «Экспериментальный цех Экостройматериалы».
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство» и инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», что отражено в учебных программах дисциплин «Композиционные вяжущие» и «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», а также при выполнении НИР и выпускных квалификационных работ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 29 конференциях: Всесоюзная конференция «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении» (Белгород, 1989), Всесоюзные конференции «Актуальные проблемы снижения материалоемкости в строительстве» (Севастополь, 1989, 1990, 1991); Всесоюзное научно-практическое совещание «Экологические проблемы переработки вторичных ресурсов в строительные материалы и изделия» (Чимкент, 1990); Республиканская научно-техническая конференция «Перспективы технологии вяжущих, бетона и железобетона» (Алма-Ата, 1990); Международная научно-техническая конференция «Материалы для строительных конструкций XXI века» (Днепропетровск, 1992); Международная научно-техническая конференция «Резервы производства строительных материалов»
(Барнаул, 1997); Международная научно-практическая конференция «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2000, 2004, 2006); VII Академические чтения РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Белгород, 2001); Международная научно-практическая конференция «Экология -образование, наука и промышленность» (Белгород, 2002, 2004, 2006, 2011, 2012); Международный конгресс «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003, 2005); Международная научно-практическая конференция «Поробетон-2005» (Белгород, 2005); Proceedings of the International conference held at the University of Dundee (Scotland, 2005); Международная научно-практическая конференция «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2007, 2009, Махачкала - Ростов-на-Дону, 2010); 3-е (XI) Международное совещание по химии и технологии цемента (Москва, 2009); Академические чтения РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (Белгород, 2009, 2010, 2011, 2012).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 120 научных публикациях, в том числе в 20 статьях научных журналов по списку ВАК РФ, отражены в пяти монографиях, четырех учебных пособиях под грифом УМО и 1 пособии, рецензируемом уполномоченным вузом, защищены 4 патентами РФ.
На защиту выносятся:
- представления об образовании, росте и характере организации
пор в ячеистых бетонах;
- разработанные составы и технология производства
композиционных вяжущих с учетом генезиса наполнителя и
дисперсного состава композиции;
характеристики и технологии производства изделий из газобетонов неавтоклавного твердения, в том числе с воздействием на баланс внутренних и внешних сил пористой системы;
рецептурные и технологические приемы изготовления монолитного газобетона и сухих строительных смесей с улучшенными свойствами на композиционных вяжущих;
- результаты опытно-промышленной апробации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, восьми глав, выводов, списка литературы из 441 наименования и 15 приложений. Общий объем диссертации 390 страниц машинописного текста, включающих 147 рисунков и 76 таблиц.
