Введение к работе
Актуальность темы
Снижение веса строительных конструкций зданий и сооружений всегда
было и остается важнейшей научно- технической задачей отрасли. Решается
она двумя путями: первый – повышение прочности и модуля упругости
материалов несущих конструкций, позволяющие уменьшить геометрические
размеры их сечений и соответственно объем; второй – снижение объемной
массы материалов ограждающих конструкций при увеличении их
сопротивления теплопередаче, звукоизоляции и коэффициента
конструктивного качества (удельной прочности), что также влечет за собой уменьшение толщины стен, кровли и в, целом, их объема.
Для стеновых конструкций современных жилых домов как
многоэтажных, так и в особенности, малоэтажных давно применяются легкие цементные бетоны, которые, согласно ГОСТ 25820-2014, по структуре делятся на плотные, крупнопористые и поризованные. Последние в наибольшей мере отвечают самой сути легкого бетона, поскольку в нем поризован и заполнитель, и матрица-цементный камень, что делает этот материал структурно более однородным.
О возможности сочетания ячеистого и легкого бетонов с целью повышения прочности получаемого поризованного бетона впервые было опубликовано еще в 1931г. Брюшковым А.А. Скрамтаев Б.Г. предложил в 1934г. использовать в пенобетоне легкий щебень. В последующие годы в СССР и других странах были разработаны совместные и раздельные технологии сочетания пено- и газобетонов с различными легкими заполнителями: керамзитом (Дубенецкий К.Н., Формская О.П., Довджик В.Г., Кайсер Л.А., Комиссаренко Б.С. и Чикворьян А.Г.), гранулированным шлаком (Красниченко С.В.), шлаковой пемзой, термозитовым щебнем, вермикулитом, гранулированным пеностеклом (авторы соответственно Терещенко В.А., Ямбор Я., Пухальский Г.В., Попов Н.А., Дубенецкий К.Н., Иванова С.М., Чулкова И.Л., Попов М.Ю.). Однако, существующие технологии пенообразования цементных композиций многостадийны, требуют повышенного водосодержания для поризации, что увеличивает влажностную усадку и снижает прочность. Нужен новый технологический подход к совершенствованию легкого поризованного бетона.
Степень разработанности проблемы
На кафедре ТСМИК КГАСУ Хозиным В.Г. и Красиниковой Н.М. была
разработана и запатентована одностадийная технология неавтоклавного
пенобетона из механоактивированной сухой смеси, содержащей
портландцемент и водный раствор пенообразователя. Полученный пенобетон из сухой смеси отличается малым водоцементным отношением (0,37-0,45%) и потому малой влажностной усадкой и повышенной прочностью. В связи с этим, логичной представляется одностадийная технология получения более
эффективных, чем существующие, легких бетонов из сухой поризованной
активированной смеси, смешанной с пористыми заполнителями.
Преимуществом этой схемы может стать широкая возможность физико-химической модификации сухой смеси, в т.ч. наноразмерными добавками, что позволяет управлять технологическими свойствами легкобетонной смеси и физико-механическими – получаемого поризованного легкого бетона с различными пористыми заполнителями.
Цель работы
Разработка составов и технологии производства легких поризованных бетонов из сухих вспенивающихся смесей с пористыми заполнителями для изготовления теплоизоляционных и конструкционно - теплоизоляционных стеновых изделий.
Задачи исследования:
1) Осуществить наномодификацию сухой смеси для пенобетона в
процессе ее механоактивации промышленными кремнезолями фирмы ООО
«Компас» и определить оптимальные варианты модификации.
2) Исследовать эффективность различных пористых заполнителей
(керамзита, пеностекла, пенополистирола) в сухой смеси и изучить структуру
и свойства легких поризованных бетонов.
3) Разработать технологическую схему получения легких поризованных
бетонов (ЛПБ) из сухой смеси с пористыми заполнителями с высокими
показателями технических свойств, не уступающих автоклавному
газобетону.
4) Разработать ТУ на ЛПБ из СС и осуществить опытно-
промышленную проверку технологии их производства.
Научная новизна работы:
1) Предложен и реализован новый принцип получения легких
поризованных бетонов путем смешения пористых заполнителей с сухой
механоактивированной смесью портландцемента, пенообразователя и
модификатора, способной вспениваться и отверждаться при затворении
водой с образованием комбинированной пористой структуры легкого бетона.
2) Установлено, что модификация цемента добавками кремнезолей с
содержанием 15%, 20% и 30% наночастиц SiO2 характеризуется «острым
пиком» на кривых концентрационной зависимости прочности при 0,001%
SiO2 от массы цемента. При этом обнаружен эффект ускорения начала
схватывания цементного теста кремнезолями, достигающий 60 мин.
3) Методом электронной микроскопии обнаружено, что на границе всех
трех пористых заполнителей (керамзита, пеностекла и пенополистирола) с
поризованной матрицей формируется тонкий граничный слой цементного
камня (50мкм) без дефектов и отслоений с плотным адгезионным контактом
с поверхностью заполнителя.
Теоретическая и практическая значимость работы
1) Исследована структура межфазной границы легких поризованных бетонов из сухой смеси с пористыми заполнителями и установлено, что она включает тонкий плотный слой цементного камня;
2) Получен новый эффективный материал - легкий поризованный бетон
из сухой смеси плотностью D300-800 с прочностью при сжатии 10-50 кг/см2,
на который разработаны технические условия;
3) Разработана технология получения легкого бетона из сухой
вспенивающейся смеси с пористыми заполнителями;
4) Опытно-промышленные испытания легкого поризованного бетона на
основе сухой вспенивающейся смеси при изготовлении стеновых блоков
D500 в количестве 40 шт. показали высокую техническую и экономическую
эффективность его производства и применения;
5) Разработан проект ТУ «Легкие поризованные бетоны из сухой
механоактивированной смеси».
Положения, выносимые на защиту
-
Новый технологический принцип получения легких поризованных бетонов из предварительно изготовленной сухой механоактивированной смеси портландцемента, пенообразователя и наномодификатора с пористыми заполнителями и последующим затворением водой в скоростном смесителе;
-
Концентрационная зависимость прочности цементного камня при наномодификации кремнезолями в виде «острого пика» на кривых прочности при 0,001% от массы цемента, а также эффект ускорения срока схватывания, что имеет важное практическое значение;
-
Установленный факт формирования тонкого (~50мкм) плотного слоя цементного камня на границе пористой цементной матрицы с легким заполнителем, что обеспечивает высокую прочность всего бетона.
Методология и методы исследования
Методологической основой диссертационного исследования явились современные представления о структуре и свойствах строительных материалов, современных методов оценки их физико-механических и физико-химических свойств, а также стандартные методы испытаний. Информационной базой явились монографии, статьи в периодических изданиях, материалы научных конференций.
Достоверность результатов научной работы
Достоверность результатов научной работы обусловлена как
использованием стандартизированных методов испытаний, так и
воспроизводимыми данными рентгенофазового анализа, оптической и
электронной микроскопии, статистической обработкой результатов
экспериментальных измерений, их взаимной корреляцией. Выводы из лабораторных данных подтверждены положительными результатами опытно-промышленных испытаний разработанных составов и технологии.
Внедрение результатов исследования
По результатам работы разработан ряд составов легких бетонов из сухой смеси, которые прошли промышленную апробацию на ООО «Казанский ДСК» (г. Казань), при изготовлении стеновых блоков. Материалы диссертационной работы используются при проведении практических и
лабораторных занятий по дисциплине «Технология бетона, строительных изделий и конструкций» на кафедре ТСМИК КГАСУ.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
международных, всероссийских, вузовских конференциях и семинарах:
республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и
строительства (Казань: КГАСУ, 2011-2016), «VII Всероссийской
конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» (Чебоксары, 2012), на международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (Улан-Удэ,2012).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, и 1 статья в издании, индексируемом в Scopus.
Структура и объем диссертации