Введение к работе
Актуальность. Увеличение сроков службы стеновых материалов и снижение энерго- и материалоемкости их производства является актуальным направлением повышения эффективности строительства. Одним из вариантов решения данных проблем является разработка и применение легкого бетона с высокими прочностными характеристиками при рациональных показателях теплопроводности и водопроницаемости.
Физико-механические свойства легкого бетона зависят от таких свойств заполнителей, как плотность, прочность, гранулометрический состав и степень адгезии к вяжущему. При рациональном подборе состава легкого бетона и достаточно прочном заполнителе наиболее слабым участком композита является контактная зона.
В связи с этим перспективным направлением является использование заполнителей, полученных на основе сырья различного генетического типа, способного к модифицированию контактной зоны «цементная матрица -заполнитель», что позволит увеличить ее прочность и водостойкость, а также снизить теплопроводность композита в целом.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации: государственный контракт 14.740.11.0012, соглашение 14.В37.21.1218, государственное задание 3.4601.2011, программа стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова; РФФИ, грант № 12-08-87603.
Пель работы. Разработка гранулированного наноструктурирующего заполнителя (ГНЗ) пролонгированного действия на основе сырья различного типа для легкого бетона.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка экспресс-метода определения активности кремнеземных компонентов как сырья для получения ГНЗ;
разработка составов и изучение свойств ГНЗ на основе кремнеземного сырья различного генетического типа;
проектирование составов и изучение свойств легкого бетона на основе ГНЗ;
подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.
Научная новизна. Предложен принцип проектирования состава гранулированного наноструктурирующего заполнителя для легкого бетона с учетом активности кремнеземного сырья различного генетического типа. В качестве кремнеземного компонента ГНЗ для бетона, твердеющего при ТВО, рациональным является использование аморфизованного вещества преимущественно кристобалит-тридимитового состава. В качестве интегральной характеристики оценки свойств кремнеземного сырья (КС), с учетом установленной корреляции между показателем силикатного модуля и
изменением активности кремнеземного компонента, предлагается использовать коэффициент активности, рассчитываемый по результатам испытаний, проводимых согласно предложенного экспресс-метода. Установлен характер влияния количества гидроксида щелочного металла в составе ядра ГНЗ и времени ТВО на объем синтезируемых растворимых полисиликатов с учетом активности кремнеземного компонента. Достаточными условиями являются температурная обработка при 85 С в течение 1,5-2 ч. Показано, что рациональным является такое соотношение между кремнеземным компонентом и щелочью в составе ядра, при котором достигается максимальное значение силикатного модуля с нижней границей равной 1,5, а также максимальное значение коэффициента изменения активности. КС как компонент ГНЗ ранжировано по величине коэффициента активности на: высокоактивное 51-100 %, активное 21-50 %, малоактивное 5-20 %.
Предложен механизм формирования контактной зоны ГНЗ с цементно-песчаной матрицей бетона, заключающийся в комплексе процессов: гидратация, щелочное растворение кремнезема, полимеризация и поликонденсация новообразованных полисиликатов. Первым этапом является частичная гидратация минералов портландцемента, образующих жесткий каркас между мелким заполнителем и неактивированным ГНЗ. В условиях тепловлаж-ностной обработки (ТВО), на втором этапе, наряду с гидратацией, происходит активация содержимого ядра ГНЗ, заключающаяся в выщелачивании аморфного кремнезема и формировании растворов полисиликатов, с последующей их миграцией через оболочку ГНЗ в толщу бетона. Эпикристалли-зационное модифицирование цементного камня ГНЗ пролонгированного действия приводит: к инкапсуляции минеральных частиц цементного камня и мелкого заполнителя гидрофобизирующим слоем функциональных эпигенетических 2В-наносистем натросилита, обеспечивающей возникновение новых, в частности, гидрофобных свойств материала; монолитизации структуры мелкозернистого бетона при перколяции растворенного вещества, что ведет к снижению микропористости цементно-песчаной матрицы, и как следствие, к увеличению прочности и водостойкости мелкозернистого бетона в целом.
Экспериментально обоснована возможность использования портландцемента с добавкой шлака (ЦЕМ П/А-Ш 32.5Б) в качестве оболочки ГНЗ. При формировании оболочки заполнителя в процессе грануляции силикат натрия в присутствии шлака, являющегося отвердителем, образует нерастворимые соединения, способствующие: пролонгации действия ГНЗ и увеличению адгезии ГНЗ к матрице.
Практическое значение работы. Разработан экспресс-метод определения активности кремнеземных компонентов как сырья для получения ГНЗ.
Расширен спектр и проведено ранжирование различных видов минерального сырья по степени эффективности его использования в качестве функционального компонента ГНЗ.
Разработаны составы и технология получения ГНЗ пролонгированного действия с плотностью 720-960 кг/м3 и прочностью при сжатии в цилиндре 0,32-0,98 МПа.
Предложены составы легкого бетона с применением ГНЗ из сырья различных генетических типов с плотностью 1689-1709 кг/м , прочностью 11,35-11,79 МПа, теплопроводностью 0,31-0,37 Вт/(м-К). Установлены зависимости основных физико-механических характеристик бетона от состава и количества ГНЗ.
Предложена технология производства изделий из легкого бетона на основе ГНЗ.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Экспериментальный цех «Экостройматериалы» Белгородской области.
Для внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве легкого бетона на основе ГНЗ пролонгированного действия разработаны следующие нормативные документы:
технологический регламент по изготовлению гранулированного на-ноструктурирующего заполнителя на основе опоки Алексеевского месторождения;
стандарт организации СТО 02066339-004-2011 «Заполнитель гранулированный наноструктурирующий на основе кремнеземных компонентов»;
стандарт организации СТО 02066339-025-2011 «Бетон легкий на основе гранулированного наноструктурирующего заполнителя»;
технологический регламент на производство мелкоштучных изделий на основе легкого бетона с применением ГНЗ.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке: инженеров по специальностям 270106, бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профиля «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по специальности 270108.68 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» профиля «Наносистемы в строительном материаловедении», что отражено в рабочих программах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009); V-VI Академических чтениях РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (Белгород, 2010, 2011); Всероссийских молодежных инновационных конвентах (Москва, 2010, 2011); международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (Москва, Экспоцентр, 2010, 2011); XIV-XV Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2011, 2012); творческом конкурсе Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям «Нанотехнологии прорыв в будущее»
(Москва, 2010,2012); Всероссийском молодежном образовательном форуме «Селигер 2010»; X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, 2010).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 16 научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На состав и технологию гранулированного заполнителя получены: патент R.U 2433975, приоритет от 17.05.10; свидетельство о регистрации ноу-хау № 20110016; подано две заявки на патент № 2012134721 (055540) и № 2012134722 (055542) приоритет от 15.08.2012.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 191 страницах машинописного текста, включающего 49 таблиц, 47 рисунков, списка литературы из 150 наименований, 10 приложений.
