Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса
1.1. Применение гипсовых вяжущих в строительстве 10
1.2.Анализ рынка гипсовых вяжущих 14
1.3.Существующие теории твердения гипсовых вяжущих 19
1 4. Факторы, влияющие на повышение эффективности гипсовых вяжущих 22
1.5. Роль кремнеземсодержащегокомпонента при получении композиционных вяжущих 26
1.6. Выводы 31
2. Методы исследования и применяемые материалы
2.1. Методы исследования 33
2.2. Анализ физико-механических характеристик гипсовых вяжущих... 43
2.3. Характеристики сырьевых материалов 43
2.4. Выводы 46
3. Разработка методов испытаний наноструктурированного силикатного вяжущего
3.1. Получение наноструктурированного силикатноговяжущего 50
3.2. Наноструктурированное силикатное вяжущее. Методы испытаний .. 53
3.3. Свойства наноструктурированного силикатного вяжущего 61
3.4. Выводы 65
4. Разработка композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента
4.1.Технология получения и состав композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента 67
4.1.1. Способ введения наноструктурированного кремнеземного компонента в гипсовую систему 68
4.1.2.Разработка экспериментальных составов и определение оптимального интервала концентраций наноструктурированного кремнеземного компонента в композиционном гипсовом вяжущем 71
4.2. Особенности механизма формирования композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента 74
4.3.Механизм формирования композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента 83
4.4.Влияние механоактивации на свойства композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента 87
4.5.Характер влияния наноструктурированного кремнеземного компонента на свойства высокопрочного гипса 91
4.6. Выводы 94
5. Изучение особенностей эксплуатационных характеристик экспериментального материала на основе композиционного гипсового вяжущего
5.1.Оптимизация составов композиционного гипсового вяжущего с
применением наноструктурированного кремнеземного компонента 98
5.2.Изучение воздействия повышенных температур на свойства
композиционного гипсового вяжущего и материалов на его основе 102
5.3.Термограммы изучаемых систем 106
5.4. Выводы 110
6. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ, ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
6.1 Технология производства плит пазогребневых на основе
композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента 112
6.2. Технико-экономическое обоснование эффективности производства пазогребневых плит на основе композиционного гипсового вяжущего... 120
6.3 Внедрение результатов исследования 122
6.4 Выводы 123
Общие выводы 124
Библиографический список
- Факторы, влияющие на повышение эффективности гипсовых вяжущих
- Характеристики сырьевых материалов
- Наноструктурированное силикатное вяжущее. Методы испытаний
- Способ введения наноструктурированного кремнеземного компонента в гипсовую систему
Факторы, влияющие на повышение эффективности гипсовых вяжущих
Ежегодный анализ выпуска вяжущих материалов показал, что на данный момент производство цементного вяжущего составляет в РФ около 80 % от общего объема минеральных вяжущих. При этом при производстве строительных материалов, по мнению специалистов, в себестоимости продукции, наибольшую часть составляют энергозатраты. Так, при производстве цемента на долю энергоресурсов приходится 56 %, извести 49 %, керамического кирпича - 28,7-53 %, силикатных стеновых материалов - 11,2-37,7 %. В зависимости от специфики производства и степени оснащенности энергосберегающими технологиями на различных предприятиях составляющая энергоресурсов в себестоимости итогового продукта может варьироваться.
Расширение производства и применения гипсовых материалов позволяет в определенной мере решить перечисленные проблемы в совокупности, так как гипсовые строительные материалы отличаются тепло и звукопроводимостью, экологической безопасностью, огне- и пажаростой-костыо. Стоимость производства гипсового вяжущего более чем в 5 раз ниже стоимости производства цемента; сроки проведения работ с использованием бетонов и растворов на основе гипсовых вяжущих в несколько раз ниже, чем при работе с аналогичными материалами на основе портландцемента [5].
Большой опыт в области создания и изучения свойств гипсовых вяжущих и материалов на их основе накоплен в России и за рубежом. Благодаря работам: М.Г. Алтыкиса, А.А. Антипина, У .Я. Аяпова, П.И. Боженова, П.П. Будникова, Г.Г. Булычева, А.В. Волженского, И.П. Выдова, И.Е. Гайсинского, М. С Гаркави, П.Ф. Гордашевского, В.Н. Журавлева, К. Келли, М.С. Куроцапова, Г.Д. Копелянского, О.Е. Корниловича, В.Ф.Коровякова, Г.И. Логгинова, В.Н. Некрасова, М.А., Матвеева, Г.С. Палагина, С.С. Печуро, Р.З. Рахимова, Е.Е. Сегаловой, В.И. Соломанова, Д. Суттарда и К. Андерсона, Т.М. Ткаченко, А.В. Ферронской, СИ. Юрчика, М.П. Элинзона и других ученых [6-83]. 1.2. Анализ рынка гипсовых вяжущих
Месторождения гипсосодержащих пород относятся к типу месторождений выветривания. Они бывают осадочные, остаточные и метасоматические. Почти все крупные месторождения гипса в России являются месторождениями осадочного типа. Государственным балансовым запасом полезных ископаемых в настоящее время насчитывается 83 месторождения гипса, ангидритами гипсоносных пород с балансовыми запасами около 3,2 млрд. т., из них как разрабатываемые учитываются 24 месторождения, что составляет 28 %. Большинство из имеющихся 83 месторождений гипсового сырья имеют относительно небольшие запасы. К крупным месторождениям, то есть с запасами более 25 млн. тонн, можно отнести только 19, но зато на их долю приходится около 90 % всего гипса России. В центральном федеральном округе сосредоточено 57,4 % балансовых запросов сырья, в приволжском федеральном округе 24,9 % месторождения азиатской части страны отличаются небольшими размерами, невысоким качеством сырья, а также удаленностью от потребителей и Отраслевая структура потребления гипса в России, % Основной объем потребления гипса в России приходится на долю производителей строительных гипсовых изделий, в частности гипсокартонных листов (около 46 %) и сухих строительных смесей. На долю товарного строительного гипса приходится около 9 % от общего объема потребителей гипсовых вяжущих (рис. 1.3) [6]. Гипсовые вяжущие по известным литературным данным [8-16], являются вяжущими негидратационного типа твердения. Гипсовые вяжущие вещества состоят из полуводного гипса (CaSO4-0,5H2O) или ангидрита (CaS04), и получаются путем тепловой обработкой сырья. По своим основным свойствам виды полуводного гипса во многом одинаковы, главное различие состоит преимущественно в показателях прочности. Все определения свойств гипсовых вяжущих производятся по ГОСТ 23789-79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний» [7].
Сырьем для производства гипсовых воздушных вяжущих является природный гипс (двуводный сернокисый кальций или сульфат кальция, CaS04-2H20). Они подразделяются, в зависимости от температуры тепловой обработки, на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые [16, 17].
В зависимости от способа получения гипсовые вяжущие вещества делятся на три основные группы [16]: вяжущие (рис. 1.4), получаемые термической обработкой гипсового сырья: низкообжиговые (обжиговые и варочные) и высокообжиговые; вяжущие, получаемые без термической обработки (безобжиговые); вяжущие, получаемые смешиванием гипсовых вяжущих I или II групп с различными компонентами (минеральными и химическими).
В I группу входят: гипсовые вяжущие, основной составляющей которых является а- или р - полугидрат сульфата кальция (или их смесь), а также растворимый ангидрит; ангидритовые вяжущие, состоящие, главным образом, из полностью обезвоженного гипса или даже частично диссоциированного ангидрита, содержащего небольшое количество свободного оксида кальция. Во II группу входят: вяжущие, получаемые на основе природного двугидрата сульфата кальция; вяжущие, получаемые на основе природного ангидрита. Для активации процесса твердения этих вяжущих вводятся специальные добавки.
В III группу входят вяжущие, получаемые смешиванием гипсовых вяжущих I и II групп с различными компонентами (известь, портландцемент и его разновидности, активные минеральные добавки, химические добавки и ДР) Вяжущие I и II групп являются неводостойкими (воздушными) гипсовыми вяжущими (НТВ). Вяжущие III группы относятся, за некоторым исключением, к водостойким гипсовым вяжущим (ВГВ).
Характеристики сырьевых материалов
Современный этап развития производства строительных материалов и применяемых технологий нового поколения предусматривает использование нанотехнлогического подхода при синтезе строительных композитов. При этом существующие подходы и методы исследований традиционных материалов не обеспечивают в полной мере потребности, возникающие при использовании наноразмерных технологий для создания современных строительных материалов. В связи с этим существует необходимость в расширении комплекса исследований и разработке системы мониторинга, при создании новых и совершенствования существующих технологий с применением нанотехнологической продукции. Это позволит создавать современные конкурентоспособные, высокоэкологичные и энергоэффективные строительные материалы.
На данный момент, с учетом нарастающих тенденций увеличения объема производства с применением нанопродукции, возникла необходимость в принятии на международном и национальном уровне ряда справочных документов, стандартов, регламентов и инструкций по безопасному обращению с наноматериалами. Так, в рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010гг.», в целях установления единого, научно-обоснованного подхода к выявлению и количественному определению наиболее важных видов наноматериалов в природных биологических и абиотических объектах, приняты методические рекомендации «1.2 Гигиена, токсикология, санитария. Определение приоритетных видов наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и живых организмах MP 1.2.2641-10» [134]. Стандартные образцы наноматериалов классифицируются в соответствии с их химическим составом. За основу принята классификация, используемая в международном реестре наночастиц и наноматериалов: 1. металлические наночастицы (Au, Ag, Pt, Pd, Ru, Ni, Си и другие); 2. наночастицы оксидов металлов и неметаллов (Si02, А120з, ТЮ2, Sn02, ZnO, М0О3, V205, PbO, Fe203, NiO и другие); 3. полупроводниковые наночастицы (CdS, CdSe, PbS, PbTe, GaN, GaAs, InN и другие); 4. углеродные наночастицы (фуллерены Сбо, углеродные нанотрубки и некоторые другие); 5. наночастицы органически модифицированных слоистых силикатов и алюмосиликатов (наноглины различного состава); 6. наночастицы из органических разветвленных полимеров (дендримеры различного состава). С учетом данной классификации, разработанное наноструктурирован-ное силикатное вяжущее относится к оксидам неметаллов Si02. На основании ранее проведенных исследований [135] было сформулировано понятие наноструктурированного вяжущего в виде следующего определения. «Наноструктурированными называются вяжущие, содержащие прото-и (или) сингенетические наносистемы, приводящие к формированию эпигенетических наносистем обеспечивающих прочностные свойства материала в твердом состоянии» [83, 135].
На данный момент наноструктурированное вяжущее является принципиально новым видом вяжущих, что в свою очередь ведет к абсолютно новому подходу при определении его технических характеристик и разработке методов испытаний, ориентированных на свойства данного вяжущего.
В связи с этим актуальной является разработка методов испытаний, позволяющих определить основные показатели для наноструктурированных силикатных вяжущих и установить нормы и требования к ним, что позволит обеспечить качество выпускаемой продукции на их основе.
Наноструктурированное силикатное вяжущее (HB(S)) представляет собой неорганическую полидисперсную, минеральную вяжущую систему, имеющую преимущественно силикатный состав и обладает высокой концентрацией активной твёрдой фазы, содержащей нанодисперсный компонент в количестве 5-10 %.
В качестве исходных сырьевых материалов для получения HB(S) силикатного состава использовали кварцевый песок Зиборовского, Корочанского и Разуменского месторождений.
Получение вяжущего производилось в лабораторной шаровой мельнице (V = 200 л) в оптимальной для данной системы области рН (7-8). При отборе проб остаток на сите № 0063 должен составлять не более 1 %.
В основе получения НВ лежит способ механохимического синтеза в водной среде, который заключается в механоактивации природных или техногенных материалов, в условиях высокой концентрации твердой фазы, повышенной температуры и предельного разжижения. Процесс получения НВ контролируется путем отбора проб и анализа полученных результатов во время помола (рис. 3.1) [66].
Вяжущие свойства HB(S) проявляются, прежде всего, потому, что их дисперсионной средой являются неорганические кислоты (золи кремнекислоты). Последние образуются непосредственно в процессе получения суспензии за счет взаимодействия фаз.
Наноструктурированное силикатное вяжущее. Методы испытаний
Анализ данных позволил определить диапазон схождения областей гранулометрии исходных компонентов, который составляет не более 3 %, что подтверждает возможность применения НКК в качестве микронаполнителя.
Так же, в качестве подтверждения эксперимента был проведен анализ характера пористости по кинетике водонасыщения (дискретный метод) и нанопористости (метод полной изотермы адсорбции).
Показатели пористости определялись в соответствии с ГОСТ 12730.4 [151]. Для этого изготавливали образцы на основе исследуемых вяжущих, размером 7x7x7 см, после 28 суток хранения в естественных условиях высушивали до постоянной массы. В конце испытания производили гидростатическое взвешивание образца.
После чего, по результатам испытаний лабораторных образцов на водопоглощение, вычисляли значения относительного водопоглощения в момент времени 0,25 (Wo s), в момент времени 1ч. (Wo,2s)- Затем по этим величинам с помощью стандартных номограмм определяли параметры Л,, Л и а. Результаты расчетов представлены в табл. 4.3.
Структура гипсового камня является макропористой с доминирующим присутствием пор радиусом более 1 мкм. Поры радиусом менее 0,01 мкм практически отсутствуют. С введением НКК в КГВ наблюдается смещение макропористости в диапазон мезопористости.
Структура порового пространства КГВ с применением НКК может быть охарактеризована как мелкокристаллическая, и в ней преобладают поры радиусом 0,01... 0,1 мкм (около 40 %), так же меньше 0,01 мкм (около 20 %). Снижение объема пор при введении НКК обусловлено получением более плотной упаковки кристаллов, а также смещением микропористости в диапазон нанопористости, которая увеличивается в 2 раза по сравнению с контрольным образцом (рис. 4.11, 4.12).
Такое распределение пор должно способствовать улучшению других свойств КГВ. Результаты исследования поровой структуры гипсового камня подтверждают представленную ранее теоретическую модель влияния НКК на гипсовую систему.
Анализ микроструктуры, выполненный на сканирующем электронном микроскопе, показал, что структура контрольного состава отличается наличием более крупных кристаллов, с контактами срастания в отдельных точках. Это, в свою очередь, ведет к формированию крупных кристаллов с высокой дефектностью, и появлением крупных пор в структуре образца, что увеличивает общую пористость и снижает количество контактов между кристаллами (рис. 4.13, а).
При введении НКК в гипсовую систему изменяется размер и морфология кристаллов, что способствует формированиюмелкокристалли-ческой структуры, увеличению площади контактов между новообразованиями (увеличение площади межфазной поверхности), снижению избыточного напряжения и уменьшению пористости, что, в итоге, способствует повышению прочностных характеристик экспериментальных составов (рис. 4.13, б). Предложены принципы повышения эффективности производства бесцементного композиционного гипсового вяжущего, заключающиеся в оптимизации микроструктуры цементирующего вещества и формировании буферных топотаксических эпигенетических сульфосиликатных наносистем, что обеспечивает высокие физико-механические характеристики материала.
Выявлены особенности характера многоуровневого воздействия наноструктурированного кремнеземного компонента на формирование структуры композиционного гипсового вяжущего, заключающегося в растворении ангидрита и направленном образовании мелкокристаллической структуры, увеличении зоны контактов и снижении внутреннего напряжения системы.
Установлен механизм формирования системы «гипсовое вяжущее-наноструктурированный кремнеземный компонент-вода», заключающиеся в возможности воздействия на реологические свойства гипсовой системы при получении вяжущего: микродисперсный компонент формирует сольватные оболочки, удерживая воду на своей поверхности, и затрудняет доступ воды к частицам вяжущего, замедляя его схватывание, позволяя процессам гидратации протекать в полном объеме. В этом случае механизм влияния наноструктурированного кремнеземного компонента подобен действию пластифицирующих добавок, что позволяет считать его минеральным пластификатором.
Процесс формирования структуры гипсового камня осуществляется в течение нескольких часов после затворения водой гипсового вяжущего, а дальнейшая кинетика набора прочности осуществляется за счет потери влажности[135]. При получении композиционных гипсовых вяжущих изменяется процесс формирования структуры, проявляются свойства не характерные гипсовым системам. В связи с этим было выдвинуто предположение о возможности изменения кинетики набора прочностных свойств.
Для проведения эксперимента готовили образцы-балочки 16x4x4 с одинаковымВ/Г отношением, набор прочности осуществлялся в естественных условиях.На основании полученных данных были проведены исследования изменения кинетики твердения при введении 15-20 % НКК и постоянным В/Г отношением для контрольного состава, равным 50 %. Изготовленная партия образцов, хранилась при температуре (20±3) С. Контроль физико-механических параметров образцов проводились каждые 2, 4, 6, 8, 10, 12, 24, 36, 48,140 ч, образцы взвешивались на весах.
Для анализа скорости изменения физико-механических характеристик (пределов прочности на сжатие и на растяжение при изгибе, и потеря влажности), были рассчитаны процентные отклонения в количественных параметрах, заданных временных интервалах (рис. 4.14).
Способ введения наноструктурированного кремнеземного компонента в гипсовую систему
Для производства плит пазогребневых гарантированного качества следует учитывать все технологические параметры: используемое сырье, оборудование, рецептура, контроль качества и др. Нами были разработаны и предложены нормативные документы (Приложение 7-14) на производство пазогребневых плит на основе композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента. Для производства пазогребневых блоков применяют следующие виды сырья: 1. в качестве наноструктурированного кремнеземного компонента использовалось наноструктурированное силикатное вяжущее полученное путем соответствующее требованиям СТО 02066339-015-2011 «Наноструктурированное силикатное вяжущее. Технические условия» и других нормативных документов (Приложение 4-6); 2. в качестве сырья для производства наноструктурированного силикатного вяжущего используется песок Корочанского месторождения Si02-93.02%; 3. вода (ГОСТ 23739-79 Вода для бетонов и растворов [125]); 4. гипс марки Г-5АІІ (ГОСТ 125-79 Вяжущие гипсовые. Технические условия [18]). Все применяемые материалы должны соответствовать установленным требованиям, Технология получения композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента
Технология производства КГВ вяжущего предполагает введение в систему HB(S) на основе кремнеземсодержащего сырья, в виде наноструктурированного кремнеземного компонента, производство которого является экологически чистым (рис. 6.1).
Получение HB(S), как правило, осуществляется методом мокрого помола с постадийной загрузкой измельчаемого материала с последующей направленной пространственной модификацией системы.
Основным оборудованием при получении вяжущего является шаровая мельница, в которой и происходит механоактивация [135, 156]. Внутренняя поверхность барабана футеруется уралитовои или корундовой плиткой. Мелющими телами мельницы служат корундовые или уралитовые цилиндры, которые соответствуют требованиям ТУ 37.454.014—2002. Такой материал для футеровки и мелющих тел используется с целью минимизации намола в процессе механоактивации.
Стабилизация вяжущего происходит также в шаровой мельнице, без мелющих тел и возможно при отсутствии уралитовои или корундовой футеровки [135, 156].
Анализ технологии производства КГВ с применением НКК позволяет сделать следующий вывод, о том, что внедрение данной технологии возможно не только на новых предприятиях, а так же возможна модернизация уже существующих технологических линий. Что объясняется тем, что изменения происходят только на начальной стадии приготовления вяжущего, а так же внесение дополнительной линии по получении НКК не требует больших площадей, и установки дополнительных очистных сооружений.
Пазогребневые плиты - это прекрасный материал для создания дополнительных перегородок в помещении. Интересно, что такие плиты могут не только разграничивать пространство, но и выполнять функции звуко- и теплоизоляции квартиры или офиса [155]. Пазогребневые плиты применяют для возведения ненесущих межкомнатных перегородок (табл. 6.1). В зависимости от требований по шумозащите применяют или «одинарную», или «двойную» конструкцию перегородок.
Устройство перегородок следует производить после завершения работ по монтажу несущих и ограждающих конструкций зданий и до устройства чистого пола.
Присоединение перегородок к базовым стенам, потолку и полу можно делать как жестким, так и эластичным. Эластичные чаще делают в случае, когда предъявляются повышенные требования к звукоизоляции помещений. При жестком соединении плиты стыкуются непосредственно с базовым полом, потолком и стенами. Плиты можно укладывать пазом как вверх, так и вниз. При укладке пазом вверх у плит первого ряда необходимо срезать гребень.
В соответствии со строительными нормами и правилами к перегородкам предъявляются требования по устойчивости к воздействиям собственного веса, веса навесного оборудования и других эксплуатационных, ветровых и сейсмических нагрузок, а также к воздействиям случайных ударов.
Крепление; перегородки іНазначение помещения " Максимально допустимые размеры перегородок, м , длина высота Перегородказакреплена с 4сторон. Возможноналичие большихдверных проемов Помещения с небольшимскоплением людей (жилыепомещения, гостиницы, офисы,больничные палаты) Неограничивается 4,5 Помещения с большимскоплением людей (школы,аудитории, выставки, торговыепомещения) Не ограничивается 3,5 Перегородказакреплена с 4сторон и не имеетбольших дверныхпроемов Помещения с небольшимскоплением людей (жилыепомещения, гостиницы, офисы,больничные палаты)
