Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние производства и применения сухих строительных смесей 11
1.1 Историческое и техническое развитие отрасли сухих строительных смесей 1 1
1.2 Технология производства сухих смесей 17
1.3 Компоненты сухих строительных смесей 24
1.3.1 Вяжущие 24
1.3.2 Заполнители и наполнители 27
1.3.3 Химические добавки 28
1.3.4 Отходы различных производств 29
1.4 Составы и назначение сухих строительных смесей 33
1.5 Подбор составов строительных растворов 46
1.6 Выводы по главе 1 50
2 Объекты, методы и методики исследования 53
2.1 Исходные материалы 53
2.1.1 Выбор сырьевых компонентов 53
2.1.2 Методика исследования 62
2.1.3 Характеристики сырьевых компонентов 63
2.2 Минеральная часть 66
2.2.1 Оптимизация гранулометрического состава заполнителя 68
2.2.2 Разработка составов наполненных цементов 69
2.2.3 Подбор минеральной части сухих строительных смесей : 70
2.3 Модификация сухих смесей химическими функциональными добавками 72
2.4 Выводы по главе 2 75
3 Разработка минеральной части сухих строительных смесей 76
3.1 Фракционированные пески для смесей различного назначения 76
3.1.1 Двухфракционные пески 79
3.1.2 Трехфракционные пески 81
3.1.3 Четырехфракционные пески * 82
3.2 Разработка системы «цемент-наполнитель» 85
3.2.1 Влияние наполнителя на реологические свойства цементного теста 86
3.2.2 Влияние наполнителей на структурные и физико-механические характеристики цементного камня 91
3.2.3 Разработка составов наполненных цементов для смесей различного назначения 101
3.3 Изучение составов немодифицированных сухих строительных смесей ...109
3.3.1 Влияние состава минеральной части сухой строительной смеси на её качественные характеристики 109
3.3.2 Разработка составов немодифицированных смесей... 114
3.4 Выводы по главе 3 116
4 Модифицирование минеральной части сухих строительных смесей 118
4.1 Влияние добавок на свойства растворных смесей 119
4.2 Влияние добавок на свойства раствора 132
4.3 Разработка составов сухих строительных смесей 149
4.4 Выводы по главе 4 152
5 Комплексная методика проектирования составов сухих строительных смесей 153
5.1 Основные этапы методики проектирования 153
5.2 Выводы по главе 5 158
6 Экономическая эффективность результатов .проведенных исследований 160
6.1 Экономическое сравнение клеевой композиции 160
6.2 Вывод по главе 6 164
Основные выводы 165
Список использованных источников 167
- Составы и назначение сухих строительных смесей
- Оптимизация гранулометрического состава заполнителя
- Влияние наполнителя на реологические свойства цементного теста
- Разработка составов немодифицированных смесей...
Введение к работе
Актуальность работы.
Производство сухих строительных смесей является одной из самых молодых и динамично развивающихся отраслей строительной индустрии. Возраст отечественного строительного рынка насчитывает чуть более 15 лет, и на начальном этапе основной объём потребляемых смесей был представлен зарубежными производителями. С начала 90-х годов наблюдается резкое увеличение объёмов производства российских смесей (по некоторым оценкам прирост составлял 100-150% в год [1, 2]) и постепенное вытеснение импортной продукции.
В России активно проводятся научные исследования под руководством Баженова Ю.М., Селяева В.П., Калашников В. И. Демьяновой В. С, Комохова П.Г., Большакова Э. Л., Рахимова Р.З., Ґонтаря Ю. В. и др. [3, 71, 91, 105, 176] в направлении создания и использования сухих строительных смесей, значительно увеличилось количество статей, патентов и специализированных конференций. Работы направлены, главным образом, на реализацию следующих целей: разработка новых методик определения качественных характеристик сухих смесей, снижение себестоимости продукции, расширение сырьевой базы для производства строительных растворов, оптимизация уже имеющихся составов и отдельных компонентов. Однако отсутствие современной нормативной базы и комплексного подхода к проектированию составов сухих строительных смесей различного назначения приводит к разработке продуктов, малоотвечающих требованиям строительства, и к перерасходу дорогостоящих компонентов.
Развитие производства российских смесей на периферии в условиях сложившейся рыночной экономики диктует необходимость создания эффективных местных сухих смесей с высокими строительно техническими характеристиками по доступным для широкого потребителя ценам. Этого можно достичь за счет рационального использования сырьевой базы, вовлечения в производство минеральных отходов, оптимизации составов и свойств выпускаемой продукции. В связи с этим, крайне необходим комплексный подход к проектированию сухих строительных смесей, который охватывал бы планомерную разработку составов от выбора сырьевых компонентов до подтверждения необходимых качественных показателей растворов.
Была разработана рабочая гипотеза: создание эффективных строительных растворов исходя из индивидуальных структурных особенностей и характеристик минеральных компонентов.
Цель работы.
Разработка комплексной методики проектирования составов сухих строительных смесей общестроительного назначения.
Задачи исследования:
? оценить современное состояние производства и применения сухих строительных смесей;
? выбрать и обосновать основные критерии и разработать принципы проектирования составов строительных растворов общестроительного назначения;
? исследовать процессы твердения и закономерности структурооб-разования на всех стадиях формирования композита;
? провести статистический анализ результатов исследования на основных этапах и выявить наиболее перспективные направления оптимизации составов;
? разработать местные сухие строительные смеси с максимальным использованием сырьевой базы Оренбургской области и исследовать их строительно-технические характеристики;
? оценить экономическую эффективность разработанных составов.
Фактический материал и методы исследований.
Для обработки результатов исследований применялись статистические и математические методы. Изучение структуры проводилось с помощью микроскопических наблюдений, дифференциально-термического анализа, методом дилатометрии и электронной микроскопии. В работе использованы данные геологических изысканий месторождений Оренбургской области и результатов НИР по утилизации отходов региона. В качестве исходных компонентов применялись местное сырье, отходы промышленности и химические функциональные добавки. Исследования проводились на оборудовании кафедры «Технология строительных материалов и изделий», ИЦ «Оренбургст-ройиспытания» и института микро- и нанотехнологий ГОУ ВПО ОГУ.
Автор защищает:
1. Комплексный подход к проектированию составов сухих строительных смесей общестроительного назначения на основе цемента.
2. Методику подбора и практическую модель фракционированных песков с минимальной межзерновой пустотностью.
3. Схемы оптимальной укладки и взаимодействия компонентов в составе наполненного цемента и смесей на его основе.
4. Зависимости строительно-технических показателей минеральных композиций от их состава.
5. Разработку премиксов (комплексных добавок) для сухих строительных смесей различных видов.
Научная новизна работы:
? впервые предложен комплексный подход к проектированию составов сухих строительных смесей, позволяющий проводить оптимизацию всех составляющих на основных стадиях формирования композиционного материала;
? разработана схема укладки и взаимодействия минеральных частиц в составах сухих строительных смесей и предложена оценка эф фективности использования различных минеральных наполнителей;
? доказана возможность практического использования минеральных отходов (шлак электросталеплавильный, шлам водоумягчения, отсевы дробления известняка) в производстве сухих строительных смесей и определено влияние наполнителя на формирование структуры цементного композита и строительно-технические свойства вяжущего;
? создана практическая модель фракционированных заполнителей для сухих строительных смесей различного назначения с минимальной межзерновой пустотностью;
? установлено влияние модифицирующих добавок на качественные характеристики строительного раствора и разработаны составы премиксов для смесей различных видов.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны составы низкомарочных наполненных вяжущих на основе портландцемента с использованием отходов.
2. Представлена практическая модель фракционированных песков и рассчитаны составы заполнителя для строительных растворов с максимальным использованием сырьевой базы карьера.
3. Получены составы минеральной части сухих строительных смесей с высокими строительно-техническими характеристиками, удовлетворяющими требованиям нормативной документации.
4. Разработаны составы премиксов для смесей различных видов и определена их оптимальная дозировка.
5. В результате планомерной оптимизации минимизирована доля продуктов строительной химии - добавок модификаторов, что позволило достичь существенного экономического эффекта.
Комплексная методика проектирования составов сухих строительных смесей использована в проекте документа «Руководство по подбору составов сухих строительных смесей» и представлена к аналитическому рассмотрению на предмет включения в разрабатываемый пакет нормативных документов.
Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР («Рациональное использование сырьевых ресурсов Оренбуржья и утилизация отходов производства» № 01990000128) на кафедре технологии строительных материалов и изделий Оренбургского государственного университета.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы были представлены на следующих научно-технических конференциях, форумах, совещаниях: Региональная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Оренбургской области (г. Оренбург 2003, 2004 и 2005г.); 5, 6 и 7-я Международные научно-технические конференции «Современные технологии сухих смесей в строительстве «Mix BUILD» (г. Санкт-Петербург 2003г., г. Москва 2004 и 2005г.); Международная практическая конференция «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г.Белгород 2005г.); Восьмые академические чтения РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (г. Самара 2004г.).
По материалам диссертации опубликовано 15 работ.
Структура и объём диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка источников и приложений. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 40 таблиц, список источников из 201 наименования и 16 страниц приложений.
Составы и назначение сухих строительных смесей
Выравнивающие сухие смеси предназначены для выравнивания стен и потолков. Они подразделяются на штукатурные (для выравнивания стен и потолков, придания декоративных свойств) и шпаклёвочные (для выравнивания стен и потолков с последующим шлифованием) [82].
Штукатурные и шпаклёвочные смеси являются самыми производимыми продуктами из всего ассортимента сухих смесей. Практически все предприятия отрасли выпускают данные материалы. Многие считают, что именно с производства этих смесей начала зарождаться современная отрасль сухих смесей в России. Одно из первых упоминаний о централизованном применении сухих штукатурных смесей датировано ещё 1974 годом, и тогда это были очень простые (2...3 компонентные) смеси по сравнению с современными продуктами [85]. Это объясняется тем, что практически ни одно современное строительство не обходится без применения штукатурных растворов.
Выбор той или иной штукатурной смеси зависит, в первую очередь, от назначения и дальнейших условий эксплуатации. Если отделке подлежит деревянная поверхность, то чаще всего используют гипсоизвестковые штукатурные смеси, кирпичная кладка - известко-во-гипсовые, для наружных работ и мест с повышенной влажностью - цементно-известковые или цементные.
Широкий ассортимент штукатурных и шпаклёвочных смесей на российском рынке представлен такими компаниями как «Бетонит», «Knauf», «Юнис», «Вефт», «Петромикс» и т.д.
Большим спросом на отечественном рынке пользуется практически весь ассортимент шпаклевочных смесей, представленный торговой маркой «Бетонит», это: Бетонит КР, Бетонит ЛР Плюс, Бетонит Т, Бетонит Л, Бетонит ВХ и т.п. Соответствующее применение данных смесей позволяет проводить отделку стен и потолков сухих и влажных помещений. При этом толщина отделочного слоя в зависимости от характера поверхности может варьироваться от 1 до 5 мм, расход составлять порядка 1,2 кг/м на каждый 1 мм толщины. Использование данных материалов рекомендуется при условии усто 36 явшейся температуры не менее 10 С, т.к. ее понижение приводит к замедлению процессов твердения [86, 87].
Помимо широко известных продуктов фирмы «KNAUF» гипсовых штукатурок (ротбанд и гольбанд) и шпаклёвок (унифлот, фуген-фюллер, финиш-паста, флизшпахтель, дюннэстрих, нивелиршпах-тель) в практике строительства применяются смеси на основе цемента, такие как КНАУФ-Зокельпутц, КНАУФ-Унтерпутц и КНАУФ-Цементпутц. Отмечается значительное повышение объёмов продаж данных марок, что объясняется, по мнению производителей, модернизацией рецептур в 2003г. и достигнутой небывалой трещиностой-костью [88].
Широкий ассортимент выравнивающих смесей на рынках Москвы и Санкт-Петербурга представлен фирмами «ANKER» и «Старатели».
Значительным интересом у контрафактных умельцев пользуются штукатурные и шпаклёвочные смеси «Юнис», характеристики которых представлены в таблице 1.4 [89].
Оптимизация гранулометрического состава заполнителя
Подбор составленных песков с минимальной межзерновой пус-тотностью проводился с учётом теории компактной упаковки шаровидных зёрен различного размера и требований СП 82-101-98 [151, 156, 157]. Влияние гранулометрического состава песка на плотность упаковки оценивалось по изменению насыпной плотности.
В связи со значительным содержанием во фракции менее 0,16 мм загрязняющих примесей в дальнейшей разработке она не использовалась.
В соответствии с рекомендациями [151] крупность зёрен заполнителя ограничивается величиной 2,5мм, более крупные фракции необходимо удалять. Содержание их в Архиповском песке всего 4% от общего объема материала, что позволяет рационально использовать весь объем заполнителя.
Основная задача оптимизации гранулометрического состава заполнителя заключается в подборе соотношений между четырьмя основными фракциями песка (0,16-0,315; 0,315-0,63; 0,63-1,25; 1,25-2,5), которая выполнялась поэтапно:
1. На данном этапе изучалось изменение насыпной плотности в смеси, содержащей две фракции песка. Исследование проводились с каждыми двумя фракциями. На основе результатов построены графические зависимости, которые явились основой для реализации следующего этапа.
2. После определения оптимального сочетания между двумя фракциями построены зависимости в трёхкомпонентных системах. Для этого к оптимальному составу смеси двух фракций добавлялась третья (через каждые 10% по массе) и измерялась насыпная плотность смеси трёх фракций. Построенные на данном этапе изолинии насыпной плотности явились основой для разработки сложной четы-рёхкомпонентной смеси песка.
3. Дальнейшее изменение насыпной плотности определялось с добавлением четвёртой фракции (также через каждые 10%). Данные исследования позволили установить значения насыпной плотности точек, лежащих внутри объёмной графической пирамиды, и построить изоповерхности в четырёхкомпонентной смеси песка.
4. Проведен анализ разработанной модели заполнителя конкретного месторождения. Рассчитаны оптимальные составы фракционированных песков и альтернативные с учетом возникновения дефицита отдельных фракций [118].
С целью получения вяжущего направленного спектра действия изучалось влияние наполнителей различной минеральной .природы на свойства системы «цемент-наполнитель».
Разработка составов с оптимизацией структуры и свойств наполненных вяжущих проводилась на уровне микро- и макроструктуры по методикам, представленным в таблице 2.10.
Количество наполнителя в системе варьировалось от 0 до 90%.
Анализ продуктов гидратации портландцемента в присутствии минеральных наполнителей проводился методом термического анализа посредством прибора STA 449 С Jupiter.
Изучение структуры порового пространства камня на основе смешанных цементов произведено на электронном микроскопе фирмы Jeol Brightscan марки JSM - Т20. 2.2.3. Подбор минеральной части сухих строительных смесей
Для получения любого эффективного строительного материала необходимо проанализировать множество связей, учесть влияние на свойства материала многочисленных сырьевых, рецептурных, технологических и эксплуатационных факторов. Сухую строительную смесь можно с уверенностью отнести к сложным системам, состояние и свойства которых зависят от множества параметров. При этом часть их неконтролируема, то есть в системе наряду с необходимостью действует случайность. Поскольку многокомпонентные строительные материалы относятся к классу систем стохастических (вероятностных), для изучения статистических закономерностей её поведения целесообразно использовать вероятностно-статистические методы. Основной задачей планирования эксперимента является математическое описание различных объектов исследования с целью по-лучения модели, которая дает информацию об объекте-оригинале [158]. Математическая модель позволяет управлять объектом исследований, то есть находить оптимальные решения.
Влияние наполнителя на реологические свойства цементного теста
Частицы песка и отсевов дробления известняка характеризуются сильноразвитыми поверхностями и плотными ядрами зерен, в то время как форма соответственно овальная и шаровидная; Данные компоненты хорошо смачиваются водой, практически ее не впитывая. Зерна шлама характеризуются высокой пористостью и при взаимодействии с водой хорошо впитывают воду, значительно увеличиваясь в размерах. Шлак электросталеплавильный характеризуется плотными зернами практически идеальной округлой формы. Поверхность зерен цемента слегка рваная, при смачивании водой наблюдается ее разрыхление. Влияние наполнителей на водопотребность системы оценивалось по изменению Н.Г. вяжущего, полученные результаты отражены на рисунке 3.6. Содержание наполнителя, % Песок молотый —»-Шлак электросталеплавипьный Шлам водоумягчения )( Отсевы дробления известняка Рисунок 3.6 - Влияние наполнителя на нормальную густоту цементного теста Как видно из графика, на водопотребность цементного теста влияет ряд факторов: водопотребность самих наполнителей, зависящая от внутренней структуры зёрен; взаимное распределение частиц твёрдой фазы в объёме теста; форма зёрен наполнителей.
Так, при введении шлама водоумягчения, наблюдается сильное увеличение водопотребности вяжущего, объясняемое высокой микропористостью частиц данного наполнителя. На рисунке 3.5 видно, что нормальная густота увеличивается до 45,5 % при содержании шлама 90 %, что более чем в два раза выше водопотребности бездобавочного цемента. При разбавлении вяжущего электросталеплавильным шлаком данная характеристика возрастает до 51,0 %, но причиной является интенсификация водоотделения систе мы «цемент-наполнитель». Песок практически не оказывает влияния на водопотребность смеси. К снижению данной характеристики до НГ=16,5 % приводит ввод добавки отсевов дробления известняка, что вызвано высокой плотностью частиц и значительно развитой формой зёрен. Полученные данные подтверждаются результатами микроскопического анализа взаимодействия зёрен минеральных компонентов, которые схематично представлены в таблице 3.4.
Как видно из представленных схем, наиболее плотная упаковка частиц дисперсной фазы наблюдалась на составах, в которых в качестве наполнителей использовались молотый песок и отсевы дробления известняка. Можно предположить, что форма зёрен этих наполнителей будет способствовать дополнительному упрочнению твердеющего вяжущего, а следовательно, и растворов на его основе за счёт механического сцепления частиц между собой. Зёрна шлака обладают практически гладкой поверхностью. Благодаря высокой мик 89 ропористости частицы шлама при взаимодействии с водой впитывают её, увеличиваясь в размерах. В процессе перемешивания с цементом они легко деформируются и покрывают его зёрна. В результате чего между частицами цемента образуются тонкие, но сильно пористые прослойки.
Важной характеристикой любого вяжущего являются сроки схватывания. Увеличение содержания всех видов наполнителей приводит к возрастанию сроков схватывания (рис. 3.7), и это влияние более заметно, чем выше водопотребность системы .«цемент-наполнитель».
-Песок молотый —— Шлак электросталеплавильный Шлам водоумягчения «- Отсевы дробления известняка Рисунок 3.7 - Влияние наполнителей на сроки схватывания смешанного вяжущего Как видно из графиков на рисунке 3.7, сроки схватывания чистого цементного теста составили: начало - 60 мин; конец - Зч 30 мин. При введении шлама и шлака величины этих параметров возрастают до 4ч ЗОмин, 5ч 20мин и 12ч ЗОмин, 13ч ЗОмин соответственно, что значительно выше, чем при добавлении песка и отсевов: начало - Зч 05мин, и 2ч 40мин; конец - 10ч ЗОмин и 7ч 20мин соответственно.
Разработка составов немодифицированных смесей...
Несмотря на значительное количество характеристик строительного раствора, . учитываемых при проектировании, основным свойством является предел прочности при сжатии. Расчёт составов сводится к определению значений показателей при заданной прочности раствора, выбираемой в соответствии с действующими нормами [104, 109].
Максимальное использование минеральных отходов определяет экономическую эффективность и экологичность материала. Поэтому наряду с определённой прочностью раствора необходимо добиться максимального использования отходов в составе сухой смеси.
С учётом вышеуказанных положений по построенным графическим (приложение В) и математическим (таблица 3.8) зависимостям рассчитаны составы немодифицированных сухих строительных смесей направленного спектра действия с максимальным использованием минеральных отходов и представлены в таблице 3.9.
После определения рецептур минеральной части с помощью специализированных программ на ЭВМ произведен расчёт остальных характеристик смесей с целью сравнения их с нормативными показателями. Результаты представлены в приложении Д.
1. Проведен анализ научной и технической литературы по направлению выбора и применения фракционированных заполнителей при производстве строительных материалов. Разработана практическая модель составленных песков на базе Архиповского месторождения и рассчитаны соотношения между фракциями для достижения минимальной межзерновой пустотности смеси заполнителя. Величина межзерновой пустотности полученных составов на 30 % меньше по сравнению с природной смесью.
2. Изучено влияние наполнителей на реологические и строительно-технические характеристики смешанного вяжущего. Определена роль дисперсных компонентов различной минеральной природы в формировании поровой структуры цементонаполненных композитов. Разработана принципиальная схема взаимной укладки и взаимодей 117 ствия частиц в системе «цемент - наполнитель». Рассчитаны и апробированы составы смешанных вяжущих на основе цемента для строительных растворов различного назначения. Представлена методика оценки рационального и эффективного использования минеральных наполнителей в составах сухих строительных смесей различных видов.
3. Разработана математическая модель влияния состава минеральной части сухой строительной смеси на ее качественные характеристики. Построены изолинии свойств растворной смеси и раствора в зависимости от содержания компонентов минеральной части. Проведен статистический анализ оптических наблюдений взаимного распределения и оптимальной укладки компонентов строительного раствора. Рассчитаны и апробированы составы минеральной части сухих строительных смесей различных марок и назначения.
4. Разработаны минеральные составы сухих строительных смесей, удовлетворяющие требованиям отечественной нормативной документации, которые могут использоваться в строительных работах по назначению. С целью дальнейшего улучшения отдельных характеристик, которые в зарубежной нормативной документации выше, необходимо вводить химические добавки.
Целью дальнейших исследований стало определение оптимального содержания добавок-модификаторов в составе сухой строительной смеси для достижения заданных критериев проектирования.
Исходя из ранее построенных графических зависимостей влияния состава минеральной части на ее свойства, такие как плотность смеси и раствора, водоудерживающая способность, подвижность смеси, физико-механические характеристики раствора, определены основные направления воздействия добавками на параметры сухих смесей.
