Введение к работе
Актуальность. Снижение материалоемкости и теплопроводности строительных конструкций без потери их несущей способности и других эксплуатационных свойств является одной из целей повышения эффективности строительства. Одним из практических путей ее достижения является разработка и применение легких и прочных бетонов с пониженными теплопроводностью и водопроницаемостью. Использование традиционных видов заполнителей для легких бетонов, как природных, так и искусственных, приводит к существенному влагопоглощению, что существенно ухудшает их теплозащитные характеристики при эксплуатации. Это связано с тем, что большинство заполнителей имеют слабую контактную зону с цементным камнем, обусловленную отсутствием, либо слабым химическим взаимодействием вещества заполнителя с продуктами гидратации цемента.
В связи с этим перспективным направлением является разработка заполнителей, способных к активному химическому взаимодействию с цементной матрицей, повышению ее водостойкости, прочностных характеристик и снижению теплопроводности композита в целом.
Работа выполнялась в рамках: программы «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме «Конструкционно-теплоизоляционный макропористый мелкозернистый бетон, с применением наноструктурирующего заполнителя пролонгированного действия»; тематического плана г\б НИР № 1.1.07 «Разработка фундаментальных основ получения композиционных вяжущих с использованием наносистем» на 2007-2011 гг.; гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нано дисперсных модификаторов с учетом типоморфизма сырья».
Цепь работы. Разработка энергоэффективного конструкционно-теплоизоляционного бетона на основе цементного вяжущего и гранулированного наноструктурирующего заполнителя пролонгированного действия.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка составов и изучение свойств вяжущего с использованием тонкомолотого цементного камня;
проектирование состава и технологии получения гранулированного наноструктурирующего заполнителя;
разработка конструкционно-теплоизоляционного бетона с использованием гранулированного наноструктурирующего заполнителя;
подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания конструкционно-теплоизоляционного
бетона путем последовательной направленной гетерогенизации объема композита на микро-, макро- и наноуровне его структурной организации. На микроуровне структурообразование интенсифицируется введением затравок кристаллизации в виде тонкомолотого частично прогидратирован-ного цементного камня (ТМЦК). На макроуровне - использование гранулированного наноструктурирующего заполнителя (ГНЗ) позволяет создать макропористую структуру композита с одновременной модификацией матрицы на нано- и микроуровне. Формирование монолитной контактной зоны между ГНЗ и цементной матрицей пропиткой композита содержимым гранул, позволяет перераспределить локальную плотность в композите. Это обеспечивает создание плотных стенок пор, препятствующих заполнению пустот водой, и способствует повышению прочности и водостойкости цементного камня. Зоны гетеропористого композита проранжированы по степени снижения нано пористости в следующей последовательности: цементный камень —> цементный камень с ТМЦК —> зоны пропитки цементного камня содержимым гранул —> оболочка порового пространства.
Выявлен характер зависимости прочности композита от степени гидратации, во до цементно го отношения, удельной поверхности и количества тонкомолотого цементного камня (ТМЦК), вводимого в вяжущее в качестве центров кристаллизации. Частично прогидратированное вещество (в возрасте 3 сут), содержащее портландит, эттрингит, C-S-H гель и остаточные клинкерные фазы (C3S, C2S и C4AF), имеет развитую реакционно-активную поверхность и интесифицирует фазообразование в полиминеральной системе цементного теста, модифицируя композит на микроуровне.
Предложен механизм структурообразования в системе «цементное вяжущее - гранулированный наноструктурирующий заполнитель». На первой стадии ГНЗ выполняет роль традиционного «инертного» заполнителя, в результате формируется композит с плотной непористой структурой. Это происходит благодаря капсулированию активного вещества в нерастворимой оболочке, которая препятствует влиянию содержимого гранул на гид-ратационные процессы, протекающие в первые трое суток. Вторая стадия заключается в упрочнении цементного камня и формировании макропор. При тепловлажностной обработке оболочка гранул, состоящая из извести и кремнефтористого натрия, пропускает растворимые гидросиликаты натрия, образующиеся в результате взаимодействия содержимого гранул - кремне -земсодержащего сырья и щелочесодержащих добавок. При перколяции
Бездобавочный цементный камень, отсутствующий в композите, приведен для сравнения. При анализе нано пористости данное вещество использовалось в качестве эталона для сравнения и выявления влияния ТМЦК
раствора в затвердевшую матрицу заполняются нано- и микропоры цементного камня, происходит монолитизация каркаса при одновременном формировании маркропор на месте ядра гранулированного заполнителя.
Практическое значение работы. Разработано вяжущее с использованием 1% частично гидратированного (в возрасте 3 сут) тонкомолотого (Syfl=400 м /кг) цементного камня (полученного при В/Ц=0,26), которое позволяет повысить прочность на 20% по сравнению с бездобавочным вяжущим и сократить расход вяжущего.
Запроектированы состав гранулированного наноструктурирующего заполнителя пролонгированного действия для конструкционно-теплоизоляционного бетона и разработана технология его производства.
Разработаны составы энергоэффективного композита на основе вяжущего с использованием ТМЦК и гранулированного наноструктурирующего заполнителя из природного сырья. Установлены зависимости основных физико-механических характеристик бетона от содержания ГНЗ. Установлено принципиальное отличие конструкционно-теплоизоляционных бетонов на основе ГНЗ от традиционно применяемых легких заполнителей, заключающееся в снижении водопоглощения на 8-10% при уменьшении средней плотности в 1,8-2 раза.
Получены закономерности изменения свойств конструкционно-теплоизоляционных бетонов, которые позволяют дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора в отдельности и в совокупности на изменение системы «состав - свойства» для прогнозирования физико-механических свойств и применения непосредственно в технологии производства бетонов.
Предложена технология производства мелкоштучных изделий на основе разработанного вяжущего и гранулированного наноструктурирующего заполнителя.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ОАО «Управляющая компания ЮГК» Челябинской области.
Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве конструкционно-тепло изоляционно го бетона с гранулированным наноструктурирующим заполнителем разработаны следующие нормативные документы:
рекомендации по применению гранулированного наноструктурирующего заполнителя в технологии конструкционно-теплоизоляционных бетонов;
стандарт организации СТО 02066339-007-2010 «Конструкционно-теплоизоляционные бетоны на основе гранулированного наноструктурирующего заполнителя»;
технологический регламент на производство мелкоштучных изделий
на основе конструкционно-теплоизоляционного бетона.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе: при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов изделий и конструкций» специализации «Наносистемы в строительном материаловедении»; магистров по направлению «Строительство»; при переподготовке специалистов в рамках контракта с ГК«Роснанотех» № 1/10 от 11.01.2010.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на Международном форуме «Ломоносов - 2008, 2010» (Москва, 2008, 2010); Научно-практической конференции «НТТМ - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2008); III-V Академических чтений РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (Белгород, 2008-2010); Международных форумах по нанотехнологиям ГК «Рос-нанотех» (Москва, 2008, 2009); Всероссийском съезде производителей бетона, (Москва, 2009); Всероссийских молодежных инновационных конвентах (Москва, 2008, Санкт-Петербург, 2009); «Селигер-2010», смене «Инновациии техническое творчество» (Тверскаяобласть, 2010).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 18 научных публикациях, в том числе, в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ России. На состав и технологию гранулированного заполнителя получено четыре патента: RU 2358936, RU 2358937, RU 2361834, RU 2361835, приоритет от 15.11.07.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, включающего 46 таблиц, 79 рисунков и фотографий, списка литературы из 184 наименований, 7 приложений.
