Оптимизация структуры и свойств теплоизоляционного автоклавного газобетона Леонтьев Степан Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ процессов структурообразования автоклавного ячеистого бетона и их влияние на свойства материала 12

1.1. Основные тенденции развития производства и применения газосиликата в качестве теплоизоляционного материала 13

1.2. Научно-технические аспекты получения автоклавного газобетона пониженной плотности теплоизоляционного назначения 19

1.3. Особенности структуро- и минералообразования теплоизоляционного автоклавного газобетона 24

1.4. Способы оптимизации состава и управления качеством автоклавного газобетона 33

Выводы по первой главе 39

2. Характеристика сырьевых компонентов, методика и методология исследования 41

2.1. Методика и методология проведения исследований 42

2.1.1. Стандартные методики определения качества сырьевых материалов и готового продукта 46

2.1.2. Методы исследования структуро- и минералообразования автоклавного газобетона, приборы и оборудование 49

2.2. Характеристика используемых материалов 54

2.3. Оптимизация параметров сырьевой смеси по комплексному критерию качества теплоизоляционного автоклавного газобетона 65

Выводы по второй главе 74

3. Исследование влияния различных факторов на процессы структурообразования автоклавного газобетона пониженной плотности 76

3.1. Выбор факторов управления составом газобетона на этапе формирования ячеистобетонного массива 77

3.2. Определение оптимального количества кремнеземистого компонента и вяжущего в составе газобетона 86

3.3. Изучение влияния различных газообразователей на формирование структуры теплоизоляционного газобетона 92

3.4. Исследование процессов стабилизации ячеистой структуры автоклавного газобетона в зависимости от различных рецептурно-технологических факторов 98

Выводы по третьей главе 108

4. Изучение влияния дисперсно- армирующих добавок на качество теплоизоляционного газобетона автоклавного твердения 110

4.1. Исследование механизмов взаимодействия ультра- и нанодисперсных добавок с компонентами ячеистобетонной смеси 110

4.2. Изучение влияния содержания углеродных наносистем на структурообразование газобетонной смеси 118

4.3. Анализ состава и структуры новообразований газосиликата после автоклавной обработки 130

Выводы по четвертой главе 137

5. Опытно-промышленная апробация и технико экономическое обоснование производства теплоизоляционного автоклавного газобетона 139

5.1. Определение оптимального состава композита по комплексному критерию качества 140

5.2. Опытно-промышленная апробация результатов работы 147

5.3. Технико-экономическая оценка эффективности производства теплоизоляционного автоклавного газобетона 153

Выводы по пятой главе 164

Заключение 165

Список литературы 168

• Научно-технические аспекты получения автоклавного газобетона пониженной плотности теплоизоляционного назначения
• Стандартные методики определения качества сырьевых материалов и готового продукта
• Определение оптимального количества кремнеземистого компонента и вяжущего в составе газобетона
• Изучение влияния содержания углеродных наносистем на структурообразование газобетонной смеси

Введение к работе

Актуальность. Ужесточение требований к ресурсо- и энергосбережению, продвижение идеологии «зеленого строительства» повлияло на разработку новых строительных материалов. Одним из примеров такого продукта является теплоизоляционный автоклавный газобетон (ТАГБ), плотность которого в настоящее время колеблется около 350 кг/м³. Дальнейшее снижение марки по средней плотности до D250 и менее является проблематичным из-за сложности обеспечения стабильной и равномерной ячеистой структуры при сохранении требуемой прочности силикатной матрицы, формирование которых зависит от множества рецептурно-технологических факторов.

Другой проблемой получения АГБ пониженной плотности является то, что на сегодняшний день оптимизация параметров ячеистого бетона производится по одному или двум показателям качества (плотность и/или прочность), а значения других показателей не учитываются или ограничиваются.

Несмотря на большое количество теоретических и практических исследований, выполняемых отечественными и зарубежными учеными в направлении повышения качества ячеистого бетона, основная их часть основана на изучении возможных способов повышения физико-механических свойств газобетона конструкционного назначения. В свою очередь, недостаточно проработанными остаются вопросы, связанные с изучением протекания процессов вспучивания и структурообразования газобетона пониженной плотности.

Таким образом, комплексное изучение влияния совокупности рецептурно-технологических факторов на процессы структурообразования ТАГБ и оптимизация его состава являются на сегодняшний день актуальными.

Степень разработанности. В настоящее время задача получения теплоизоляционных газобетонов плотностью 250 кг/м³ и ниже решается несколькими способами. По результатам исследований Меркина А.П., Зейфмана М.И., Удачкина И.Б. и др. было установлено, что получение ТАГБ средней плотностью 250 кг/м³ возможно за счет оптимизации его состава и применения специальных способов поризации. Однако, предлагаемые подходы требуют строгого соблюдения параметров микроклимата производственного помещения и не обеспечивают получение бездефектной макроструктуры материала.

Другим способом снижения средней плотности ТАГБ, обеспечивающим получение однородной структуры пор, является применение специализированных газообразователей (СГО), изучением которых занимаются Прохоров С.Б., Змановский С.В., Вишневский А.А. и др. Однако, даже в случае их применения при снижении плотности газобетона до 250-300 кг/м³ не обеспечивается требуемая прочность готовых изделий.

Проблемой повышения прочности автоклавного газобетона различного назначения занимаются многие ученые (Г.П. Сахаров, Н.П. Сажнев, М.Я. Кривицкий, Е.М. Чернышов, Yang R., Narayanan N. и др.). Большинство из них решают проблему за счет повышения качества сырья и использования возвратного шлама, что способствует равномерному распределению пор по объему и повышению структурной прочности АГБ. Однако, в этом случае изделия имеют высокую плотность и теплопроводность.

Кроме этого, повышению прочности композита способствует введение в смесь актив-

ных минеральных добавок (АМД) и наномодификаторов, в том числе многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ). Изучением данного вопроса активно занимаются Королёв Е.В., Яковлев Г.И., Laukaitis A. и др. Однако, их работы направлены на исследование влияния различных модификаторов на свойства конструкционных легких и ячеистых бетонов плотностью 500 кг/м³ и выше.

Проблемой решения многокритериальных задач методами дискретного оценивания, широко известными в экономической сфере, занимаются Д.А. Новиков, В.Н. Бурков, В.А. Харитонов и др. Однако, данные методы не позволяют проводить оптимизацию составов композитов по нескольким показателям качества на всем диапазоне варьирования рецептурно-технологических факторов.

Множество проблем, возникающих при получении качественного и эффективного утеплителя на основе автоклавного газобетона, обуславливает необходимость проведения комплекса научно-исследовательских работ в рассматриваемой области.

Целью диссертационной работы является получение теплоизоляционного автоклавного газобетона с улучшенными физико-механическими характеристиками за счет оптимизации его структуры и состава по комплексному критерию качества.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

определение рецептурно-технологических особенностей получения теплоизоляционного автоклавного газобетона, способов оптимизации его структуры и управления качеством готового продукта;

разработка методики оптимизации состава АГБ на основе синтеза методов регрессионного анализа и комплексного оценивания качества готового продукта;

исследование особенностей формирования структуры автоклавного газобетона пониженной плотности в зависимости от различных факторов;

изучение особенностей модификации межпорового каркаса ТАГБ с помощью ультрадисперсных добавок;

выпуск опытно-промышленной партии теплоизоляционного автоклавного газобетона с улучшенными физико-механическими характеристиками и оценка технико-экономической эффективности предложенных технологических решений.

Научная новизна работы.

На основе синтеза методов регрессионного анализа и комплексного оценивания разработана методика оптимизации состава ТАГБ по комплексному критерию его качества как интегральной оценки значений характеристик готового продукта, включающая универсальную матричную многокритериальную модель, которая позволяет анализировать взаимосвязь «состав-структура-свойства» ячеистого бетона и рассчитывать оптимальные значения варьируемых факторов.

Выявлена закономерность оптимального управления процессом газообразования ячеистобетонной смеси с многомодальной гексагональной структурой пор ТАГБ, заключающаяся в отсутствии экстремумов функции H=f(T) в области ее определения, ограниченной временем нарастания пластической прочности газобетона.

Выявлено, что при введении МУНТ происходит образование низкоосновных гидро-

силикатов кальция преимущественно в виде тоберморита спутанной сетчато-пластинчатой морфологии кристаллов упорядоченной структуры, что приводит к уплотнению и изменению характера дефектов микроструктуры ТАГБ, заключающемся в заполнении новообразованиями микротрещин и промежутков между зернами межпорового каркаса газосиликата.

Установлено, что совместное введение в состав газобетонной смеси СГО монодисперсного состава, поликарбоксилатного пластификатора в количестве 0,4% от массы смешанного вяжущего и дисперсии МУНТ в количестве 0,002% от массы портландцемента способствует повышению прочности ТАГБ на 112,5% и незначительному снижению его плотности на 3,2% и теплопроводности на 6,1% за счет заполнения микротрещин кристаллическими блоками новообразований упорядоченной структуры и перераспределения объема микропор (с 33 до 20%) и капилляров (с 19 до 35%) в структуре газосиликата.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Введение в состав ТАГБ газообразователя «Stapa Alupor N905», дисперсии МУНТ «Ful Vec» в количестве 0,002% от массы портландцемента и поликарбоксилатного пластификатора «MELFLUX 5581F» в количестве 0,4% от массы смешанного вяжущего позволяет выпускать теплоизоляционные изделия плотностью 180-200 кг/м³ с пределом прочности на сжатие 0,7-0,9 МПа, теплопроводностью 0,046 – 0,048 Вт/(м С).

Совместное введение в состав ТАГБ полифункционального газообразователя и эфи-ров поликарбоксилатов с короткими основной и боковыми цепями способствует интенсификации процесса вспучивания ячеистобетонной смеси и ускорению набора ее пластической прочности, что позволяет повысить производительность технологической линии за счет снижения времени созревания массива перед резкой.

Разработана автоматизированная система анализа свойств АГБ на основе интеграции методов регрессионного анализа и комплексного оценивания качества материала «Декон-СМ», которая может быть эффективно использована сотрудниками предприятий при решении задач оптимизации составов и свойств строительных материалов.

Методология и методы исследования. В процессе выполнения диссертационного исследования использовались физико-механические и физико-химические методы оценки структуры и свойств материалов с применением как общепринятых (ГОСТ), так и экспериментальных методов и методик. Оптимизация состава ТАГБ осуществлялась по комплексному критерию качества с помощью программного продукта «Декон-СМ».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование выбора рецептурно-технологических факторов с использованием методов ранжирования и экспертных оценок;

2. Методика оптимизации параметров сырьевой смеси, основанная на использовании комплексного критерия качества материала, как интегральной оценки значений нескольких характеристик готового продукта;

3. Результаты исследования влияния различных рецептурно-технологических факторов на процессы структурообразования АГБ пониженной плотности;

4. Результаты исследования влияния дисперсии многослойных углеродных нанотру-

бок на формирование микро- и макроструктуры теплоизоляционного АГБ;

5. Результаты оптимизации состава и свойств ТАГБ по комплексному критерию качества материала;

6. Результаты опытно-промышленной апробации оптимального состава ТАГБ и оценки технико-экономической эффективности предложенных решений.

Достоверность результатов обеспечена проведением исследований с применением научно обоснованных методик и средств, современных приборов и оборудования, совпадением полученных данных с теоретическими положениями и результатами исследований других ученых, а также воспроизводимостью экспериментальных данных.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Всероссийские: научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск (2012); научно-практическая конференция «Современные технологии в строительстве. Теория и практика», г. Пермь (2013, 2014, 2015);

Международные: научно-практическая конференция «Перспективы развития строительного материаловедения», г. Челябинск (2013); II научно-практическая конференция «Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований», г. Москва (2013); научно-практическая конференция «Современный автоклавный газобетон», г. Краснодар (2013); III научная конференция «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности», г. Пермь (2014); научно-практическая конференция «Современные тенденции в образовании и науке», г. Тамбов (2014); Российско-китайская конференция «Инновационная энергетика» в рамках собрания Ассоциации технических университетов России и Китая, г. Пермь (2015).

Внедрение результатов исследований. В рамках опытно-промышленной апробации разработанного состава ТАГБ марки по средней плотности D200, классом по прочности В0,5 на предприятии АО «ПЗСП» (г. Пермь) было выпущено пять массивов общим объемом 21,0 м³. Также были предложены изменения технологической линии, которые необходимо учитывать при выпуске изделий из ТАГБ.

Полученные научные и практические результаты работы применяются в учебном процессе кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ФГБОУ ВО ПНИПУ в курсах дисциплин «Научно-исследовательская работа студентов и магистров» и «Комплексная диагностика структуры и свойств строительных материалов».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 6 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015614933 от 29.04.2015 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 4 приложений и списка литературы, включающего 166 наименования. Работа изложена на 197 листах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 36 таблиц.

Научно-технические аспекты получения автоклавного газобетона пониженной плотности теплоизоляционного назначения

При этом значение соотношения Vnop/V064 = 0,81 считается граничным, при его превышении наличие структур материала со сферической формой наполняющих его пор становится невозможным, так как происходит их переструктурирование в многогранники. При VMaK более 0,89 происходит образование оптимальной сотовой структуры пор АГБ [8, 21, 139].

По мнению таких исследователей как Бедарев А.А., Чернышов Е.М., Меркин А.А., Кондратьев В.В., Хозин В.Г. и др. максимально приблизить структуру пор ячеистого бетона к оптимальной возможно за счет: - увеличения общей пористости материала; - достижения равномерного распределения пор с минимальным диаметром; - максимально возможного снижения толщины межпоровых перегородок; - повышения прочности перегородок; - увеличения соотношения открытых и закрытых пор в пользу последних. До недавнего времени основной проблемой получения ТАГБ пониженной плотности являлась безальтернативность использования в качестве порообразователя алюминиевых пудр (марки «ПАП-1» и «ПАП-2»). Их применение затрудняет получение ТАГБ с равномерной структурой и формой пор из-за разнородного дисперсного состава (непостоянство кинетики газообразования), наличия парафиновой пленки на поверхности частиц (не все частицы вступают в реакцию газообразования), высокой степени пыления и взрывоопасности (негативные условия труда) [67, 68]. Импульсом для развития направления исследований в области теплоизоляционных материалов на основе АГБ стала разработка отечественными и зарубежными учеными специализированных газообразователей (СГО) на основе алюминия, которые дают возможность, хорошо зная особенности основных сырьевых компонентов (цемент, известь, песок), оптимизировать процесс структурообразования и оказывают влияние на качественные показатели ячеистого бетона. Работы Прохорова С.Б., Змановского С.В., Вишневского А.А., Melnhardt S. и др. [55, 115, 116, 161] показывают, что применение специализированного газообразователя на основе алюминиевых паст позволяет в промышленных масштабах выпускать теплоизоляционные изделия из АГБ марки по средней плотности D300 – D350. Исследователи отмечают, что дальнейшее снижение плотности материала, при использовании данного типа газообразователя, невозможно без направленного воздействия на структурную прочность композита [120, 121].

Возможные пути решения данной проблемы обозначены в работах Сахарова Г.П., Сажнева Н.П., Yang R., Mukesh C., Narayanan N. В своих работах ученые отмечают, что задачу повышения прочности автоклавного газобетона можно решить введением в сырьевую смесь различного рода добавок, благодаря которым становится возможным как увеличение прочностных показателей АГБ пониженной плотности, так и улучшение качества ячеистой структуры материала. Эффективным технологическим приемом для повышения физико-механических характеристик газобетона является дисперсное армирование силикатного камня волокнистыми добавками. Данный вид армирования позволяет влиять на характер напряженного состояния матрицы ячеистого бетона при приложении нагрузок, а за счет перераспределения нагрузок тормозить процессы развития трещин и разрушения материала [123, 126, 128, 148, 162].

Известно, что в Республике Беларусь на заводе ОАО «Сморгоньсиликатбетон» налажено производство теплоизоляционного автоклавного газобетона марки по средней плотности D200, класса по прочности В0,75. В качестве армирующего компонента в состав смеси водилось 15% волластонита. Использование данной добавки позволяет повысить прочность ячеистого бетона при изгибе в 1,8-2,2 раза, а за счет повышения качества пористой структуры снизить на 15% теплопроводность изделий из АГБ [13].

Существуют различные технологические способы позволяющие влиять на структуру и, следовательно, на свойства материала. Перспективным, с точки зрения повышения структурной прочности АГБ, является введение комплекса добавок различной дисперсности в совокупности с пластифицирующими компонентами. Актуальным на сегодняшний день является применение ультрадисперсных добавок, содержащих активный кремнезем, наноструктуры (Яковлев Г.И., Laukaitis А., Keriene, J., Синица М.) [144, 145, 147, 156, 158, 159].

Одним из способов существенного улучшения физико-механических характеристик строительных материалов на основе цемента является использование углеродных нанотрубок (УНТ). Применение углеродных наноматериалов для структурирования вяжущих матриц в бетонах плотной и поризованной структуры способствует повышению прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и трещиностойкости. Было установлено, что УНТ выполняют роль центров кристаллизации при твердении бетонов и приводят к формированию кристаллогидратных новообразований повышенной плотности и прочности [145, 146, 157].

В работе литовских исследователей [160] для улучшения свойств АГБ использовался нанодисперсный диоксид кремния. Эти же авторы предложили для структурирования гидросиликатов кальция в газобетонах автоклавного твердения добавлять углеродное волокно, дополнительно активированное помолом [158]. Существенное влияние на вязкопластические свойства газобетонной смеси оказывает наличие в составе последней различного рода добавок, воздействующих на поверхностные явления, возникающие на границах раздела фаз [8, 93, 164]. Так введение в состав газобетона небольшого количества поверхностноактивных добавок способствует снижению водотвердого соотношения, оптимизирует процессы вспучивания ячеистобетонного массива. На сегодняшний день данное направление исследований активно развивается в связи с расширением номенклатуры химических модифицирующих добавок различного функционального назначения [163].

Также ключевыми вопросами при разработке составов ТАГБ, являются качество и вид вяжущего, кремнеземистого компонента, расход газообразователя, соотношение вяжущее - наполнитель, реологические свойства смеси, кинетика набора пластической прочности ячеистобетонного массива [7, 16, 17].

Отечественные (Коломацкий А.С., Вишневский А.А,) и зарубежные исследователи (Рудченко Д.Г., Стемпень Кшиштоф), работающие в области газобетона автоклавного твердения отмечают, что при производстве изделий пониженной плотности содержание компонентов в газобетонной смеси значительно снижается. Так, общее количество твердых веществ при снижении плотности газобетона с 600 кг/м3 до 200 кг/м3 уменьшается на 68 %. Конечно, это не означает, что и стоимость сырья сокращается соответственно, так как для производства изделий пониженной плотности необходимы более качественные сырьевые компоненты, а также использование различного рода дорогостоящих добавок. Помимо этого изменяется также соотношение сырьевых материалов, увеличивается содержание алюминия, причем в данном случае не только в процентном соотношении, но и в абсолютном количестве [80].

Другие авторы (Кафтаева М.В., Зейфман М.И., Сажнев Н.П.) делают вывод, что АГБ пониженной плотности является энергосберегающим материалом, как по своим эксплуатационным свойствам, так и на этапе его производства. Отмечается, что при автоклавировании газобетона пониженной плотности время выдержки может быть сокращено на 2 часа. Это объясняется более пористой структурой газобетона, что позволяет насыщенному пару быстрее проникать вглубь материала [18, 22, 85].

Таким образом, в результате анализа существующих исследований, направленных на разработку эффективного теплоизоляционного газобетона автоклавного твердения, можно выделить два основных подхода в решении задачи повышения теплотехнических характеристик выпускаемых изделий. Первый подход нацелен на максимально возможное снижение плотности и, соответственно, теплопроводности изделия. Задачей второго является сохранение или повышение уровня прочностных показателей качества материала, что, главным образом, связано с увеличением несущей способности межпоровых перегородок. В общем случае для достижения наилучшего эффекта необходимо проводить работу по комплексному улучшению процесса структуроообразования материала. Для этого необходимо исследовать данный процесс на микро- и макроуровнях, определить факторы, оказывающие наибольшее влияние на образование минералов, участвующих в формировании прочной структуры твердой фазы АГБ, а также оценить основные технологические особенности, влияющие на протекание процессов образования пор и межпорового пространства ТАГБ.

Стандартные методики определения качества сырьевых материалов и готового продукта

Степень вспучиваемости массива определялась с помощью линейки. В зависимости от высоты подъема газобетона можно было судить о средней плотности получаемых образцов.

Пластическая прочность газобетона-сырца определялась на верхней грани изделия, в центральной его части, с использованием конического пластомера с углом при вершине 45 С, массой 1 кг. Пластическая прочность газобетона рассчитывалась по формуле (2.1): , (2.1) где - пластическая прочность, г/см2; F –нагрузка (вес конуса),г; h – глубина погружения конуса (по вертикали), см; – константа, зависящая от угла в основании конуса (при = 45С =0,416). В дальнейшем на основе данных о реологии газобетонной смеси и интенсивности набора пластической прочности определялись эффективность использования газообразователя, а также тип и количество пластифицирующей добавки. В результате анализа процесса вспучивания газобетонной смеси была сформулирована гипотеза об оптимальности его протекания, положения которой в дальнейшем использовались для получения наилучшей пористой структуры теплоизоляционного автоклавного газобетона.

Количественный анализ поровой структуры контрольных и модифицированных образцов газобетона после автоклавной обработки производился с помощью ртутного порозиметра «PoreMaster-6B». Метод ртутной порометрии основан на том, что прибор, вдавливая ртуть в пористое тело и измеряя приложенное давление с помощью формулы Томсона-Кельвина, вычисляет размер пор, заполняемых при данном давлении. Затем, по размеру пор и массе ртути, вошедшей в поры данного размера, определяется их количество. Постепенно увеличивая давление, вычисляются размеры пор и определяются соответствующие им объемы пор. Однако в силу ограничения применимости метода, результаты ртутной порометрии не охватывают крупные поры (радиусом более 10-4 м), поэтому для определения крупных пор использовался метод световой микроскопии.

Структуру макропор и межпоровых перегородок определяли с помощью бинолупы «МБС-9» (увеличение 8). Фиксацию полученной структуры проводили с помощью цифровой камеры LEVENHUK C130, подключенной к компьютеру, при передаче не него проецируемого изображения.

Исследование микроструктуры ТАГБ выполнялось на оборудовании лаборатории кафедры «Геотехника и строительные материалы» Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова с помощью растровых электронных микроскопов FEI Quanta 200, XL 30 ESEM-FEG фирмы PHILIPS. Снимки выполнялись как контрольных образцов газобетона, так и образцов на основе полифункционального газообразователя, модифицированных пластификатором и нанодисперсным модификатором на основе дисперсии МУНТ. Изучению подвергались свежие поверхности сколов образцов. Фиксация исследуемой микроструктуры материалов проводилось фотографическим способом.

При изучении микроструктуры в зависимости от рельефа и поставленных целей исследований использовались увеличения от 300 до 105 крат.

При исследовании структуры газобетона на растровых электронных микроскопах решались следующие задачи: - изучение структуры новообразований (закристаллизованность, аморфность); - определение состава и строения межпорового пространства; - качественный элементный анализ кристаллических новообразований; - сопоставление структуры новообразований с данными других видов анализа. Рентгенофазовый анализ методом порошка при исследовании новообразований в структуре твердой фазы газобетона проводился на дифрактометре общего назначения «ДРОН-3». С целью дальнейшей автоматизированной обработки дифракционных спектров запись результатов производилась в цифровой форме. В последующем данные уточнялись вручную с помощью, имеющейся по данному вопросу литературной базы [94].

С помощью использования рентгенофазового анализа определялся фазовый состав новообразований модифицированных образов и сравнивался с данными контрольного образца. Дифференциально-термический анализ газобетона проводился на оборудовании кафедры «Строительные материалы» Южно-Уральского государственного университета (национальный исследовательский) с помощью дифференциально-сканирующего калориметра «Netzsch STA Luxx 409 PC» в интервале температур от 20 до 1000 С, со скоростью подъема температуры 5С/мин. В процессе анализа регистрировали 3 параметра: кривая подъема температуры образца (дифференциальная сканирующая калориметрия – ДСК), изменение массы (термогравиметрическую кривую – ТГ), изменение энтальпии (дифференциально-термическую кривую – ДТА). В процессе анализа, прибором записывались простые кривые нагревания с фиксацией площадок на кривых нагревания, с последующей интерполяцией полученных точек.

Для определения размеров частиц алюминиевых газообразователей использовался лазерный дифракционный анализатор размера частиц «MasterSizer 2000» компании Malvern. Анализатор работает по принципу статического рассеивания лазерного света. Общий диапазон измерений колеблется от 0,01 до 1000 мкм. Также с целью определения состава полифункциональной алюминиевой пасты «Stapa Alupor N905» немецкой фирмы Eckhart были использованы методы инфракрасной спектрометрии. Инфракрасные спектры позволяют определить групповые движения в молекулах, связанные с различными характеристическими частотами и, таким образом, становится возможным оценивать смещения частот при изменении внутримолекулярного окружения группы [144]. При этом обеспечиваются точные сведения о строении соединений, поскольку по частоте, при которой идет поглощение инфракрасного излучения, положению и интенсивности полосы поглощения можно судить о наличии определенной группы молекулярных соединений. Анализ алюминиевой пасты методом инфракрасной спектрометрии проводился на кафедре «Химические технологии» Пермского национального исследовательского политехнического университета с помощью ИК-Фурье-спектрометра «Nicolet 380» фирмы «Thermo Scientific» (США) в области частот 7800 – 375 см-1, в проходящем свете.

Определение оптимального количества кремнеземистого компонента и вяжущего в составе газобетона

Анализируя макроструктуру полученных образцов, необходимо отметить, что уменьшение средней плотности АГБ и изменение размера и формы пор происходит за счет преобразования макроструктуры материала от менее плотных упаковок (D500, D400) к более плотным (D300, D250) с переходом от разрозненной кубической структуры пор к многогранной сотовой.

Также в процессе формования газобетонного массива и его структурообразования были выявлены следующие особенности. При вспучивании газобетона более высоких плотностей давление внутренней газовой фазы недостаточно для значительного подъема массы, при этом увеличение расхода газообразователя приводит к расслоению и внутренней деструкции структуры пор. Для таких бетонов определяющим становится обеспечение однородной структуры пор по всему объему массива. В свою очередь, для получения изделий пониженной плотности необходим меньший расход компонентов на единицу объема материала. Для таких бетонов важным является синхронизация процессов, определяющих скорость изменения вязкости и пластической прочности газобетонной смеси. Не менее значимым является определение факторов влияющих на кинетику газообразования.

Следует добавить, что при расчетном составе для средней плотности газобетона 200 кг/м3 были получены образцы плотностью 250 кг/м3, при этом процесс газовыделения нельзя назвать оптимальным: вспучивание массива протекало неравномерно и недостаточно интенсивно, а увеличение расхода алюминиевой пудры сопровождалось кипением и оседанием газобетонного массива. Данные факты свидетельствует о необходимости проведении исследований, направленных на повышение интенсификации кинетики газообразования, а также стабилизации вязкопластических свойств смеси, используемой для изготовления ТАГБ.

Анализ процесса образования ячеистой структуры автоклавного газобетона показал, что главной технологической особенностью получения качественных теплоизоляционных газобетонных изделий максимальной пористости с достаточной транспортной и монтажной прочностью является создание оптимальных условий для одновременного протекания двух процессов – газовыделения и газоудерживания. Важно обеспечить соответствие между скоростью реакции газовыделения и скоростью нарастания структурной вязкости ячеистобетонной смеси. При этом выделение газа должно как можно полнее закончиться к началу схватывания системы «вяжущее – вода». Протекание процесса газообразования определяется большим количеством различных факторов. Однако наибольшее влияние на скорость и интенсивность этого процесса оказывают вид, количество и свойства газообразователя.

Одним из видов таких газообразователей, долгое время не имеющих альтернативы и сдерживающих развитие отрасли, были алюминиевая пудра типа «ПАП-1» и «ПАП-2», использование которой не позволяет получать изделия из газобетона плотности ниже 250 кг/м3. К перспективным газообразователям можно отнести алюминиевые пасты или специализированные газообразователи (СГО), которые, в отличие от алюминиевых пудр марок «ПАП-1» и «ПАП-2», имеют более однородный дисперсный состав, низкую степень пыления и высокое содержание активного алюминия, что способствует получению АГБ пониженной плотности с равномерной структурой и формой пор. Современными газообразователями, хорошо зарекомендовавшими себя на мировом уровне, являются специализированные газообразователи на основе алюминиевой пасты немецкой фирмы Ekhart. Основываясь на типе и показателях качества вяжущих веществ и сырьевых компонентов, предполагаемой технологии производства ТАГБ для дальнейших исследований были выбраны следующие марки СГО: Stapa Alupor N905тм и Stapa Alupor RO500тм.

Таким образом, задачей следующего этапа диссертационного исследования являлось изучение влияния газообразователей ПАП-1, Stapa Alupor N905тм и Stapa Alupor RO500тм на процессы образования пористой структуры АГБ.

Основными показателями качества газообразователей были выбраны: гранулометрический состав, кинетика газообразования, содержание активного алюминия. Эффективность использования газообразователей оценивали по показателям плотности, теплопроводности и структуры пор образцов АГБ.

По результатам дисперсионного анализа размера частиц (рисунок 3.6) с помощью лазерного дифракционного микроанализатора установлено, что алюминиевая пудра характеризуется более разнородным дисперсным составом, нежели СГО. При этом распределение частиц СГО лежит в более узком интервале, что положительно сказывается на полноте и интенсивности протекания процесса вспучивания массива.

Данный факт объясняется тем, что чем меньше размер частицы алюминия, тем она быстрее вступает в реакцию с гидроксидом кальция и тем интенсивнее протекает процесс образования водорода. В свою очередь частица алюминия большего размера имеет меньшую реакционную способность, что приводит к более позднему порообразованию и дефекту сформированных соседних ячеек, в результате чего ячеистая структура материала становится менее однородной. Таким образом, алюминиевый газообразователь, состоящий из частиц алюминия монодисперсного состава (с размером от 10 до 30 нм) позволяет на заданном узком временном интервале обеспечить формирование однородной структуры ячеистого бетона без образования расслоения.

Данные, полученные в ходе определения кинетики газообразования (ГОСТ 5494-95), представленные на рисунке 3.7а в виде графика, позволяют сделать вывод, что при взаимодействии Ca(OH)2 с СГО большее количество газа выделилось в течение первых 8 минут реакции. Реакция газовыделения при использовании пудры «ПАП-1» характеризуется длительным временем протекания, меньшим объемом выделенного водорода, и, что самое главное, неравномерной, ступенчатой кинетикой газовыделения. Также по измерениям объема водорода, образовавшегося в результате реакции с гидроокисью натрия, косвенным способом было определено, что содержание активного алюминия в СГО Stapa Alupor N905тм на 3 % выше, чем в газообразователе Stapa Alupor RO500тм и на 10% больше, чем в алюминиевой пудре ПАП-1. Все вышеперечисленные факты оказывают значительное воздействие на динамику вспучивания газобетонного массива.

Изучение влияния содержания углеродных наносистем на структурообразование газобетонной смеси

Анализ результатов эксперимента также не показал значительного улучшения характеристик АГБ. При увеличении дозировки ВМК-40 от количества ПЦ прослеживалось увеличение прочности образцов за счет уплотнения и уменьшения пористости, как следствие наблюдалось увеличение плотности материала и его теплопроводности. Наибольший прирост прочности модифицированных образцов в сравнении с контрольным составил 3,5 раза, что связано с увеличением плотности газобетона в 1,75 раза. С увеличением количества ВМК прослеживается снижение степени вспучивания массива, что приводит к недопустимо высоким значениям показателей плотности теплоизоляционного газосиликата. В свою очередь, степень вспучивания массива напрямую зависит от таких реологических характеристик смеси как вязкость и пластическая прочность (предельное напряжение сдвига). С введением в смесь метакаолина в количестве 4 – 10% от массы цемента значения подвижности ячеистобетонной смеси повышаются. Так, добавление 4% ВМК-40 вызывает резкий подъем значения вязкости и предельного напряжения сдвига. В дальнейшем изменение этих характеристик происходит по разному, однако с планомерным набором пластической прочности. Вязкость и пластическая прочность монотонно возрастают при увеличении расхода ВМК с 4 до 10%. Это связано с тем, что метакаолин имеет очень высокую удельную поверхность и часть воды затворения идет на его смачивание. контрольного образца; - Значения не превосходящие показатели контрольного образца Наилучшее влияние на физико-механические и реологические характеристики ячеистого бетона и бетонной смеси оказывает введение в смесь модифицирующей дисперсии МУНТ «Ful Vec». Результаты испытаний модифицированных МУНТ образцов представлены в таблице 4.3.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что введение в состав газобетонной смеси углеродного наноразмерного компонента позволило повысить прочность материала при сжатии на всем интервале варьирования расходом добавки. Однако, наилучший эффект, с точки зрения снижения средней плотности композита, получен в интервале дозирования МУНТ от 0,001 до 0,003% от массы портландцемента. При расходе добавки 0,002% стало возможным значительное повышение прочности газобетона при сохранении и даже незначительном снижении средней плотности газосиликата. Также необходимо отметить качественное изменение реологических характеристик газобетонной смеси: процесс вспучивания массива протекал интенсивно, без видимых разрывов и деформаций. Удержание сверхлегкой газомассы и сохранение оптимальной структуры пор стало возможным благодаря своевременному набору массивом необходимой пластической и структурной прочности.

Исходя из полученных данных был сделан вывод, что наиболее эффективным среди исследованных способом упрочнения межпорового пространства твердой фазы теплоизоляционного автоклавного газобетона является введение в состав сырьевой смеси дисперсии многослойных углеродных нанотрубок «Ful Vec». Учитывая энергетический потенциал многослойных углеродных нанотрубок, следующим этапом в диссертационном исследовании стало определение их оптимального содержания в составе автоклавного газосиликата в зависимости от структуры пор и межпорового пространства разрабатываемого ячеистого бетона.

В ходе проведенных экспериментов осталось не изученным комплексное влияние исследуемых факторов (расход газообразователя, пластификатора, дисперсии МУНТ) на физико-механические характеристики ТАГБ. Также необходимо оценить степень влияния дисперсии МУНТ на протекание процессов структурообразования АГБ в период формования, вспучивания и созревания газобетонного массива. С целью определения степени влияния подобранных модифицирующих компонентов на показатели качества теплоизоляционного газосиликата, а также определения оптимального состава ТАГБ был проведен полный центральный ортогональный трехфакторный эксперимент с изменением каждого фактора на трех уровнях, позволяющий получать математические модели путем проведения небольшого количества экспериментов. Анализ полученных данных осуществлялся при помощи стандартных методик обработки результатов эксперимента с получением математических моделей (функций отклика), проверка результатов проводилась на ПК с применением программного комплекса «STATISTICA». В данном исследовании в качестве факторов варьирования были выбраны: расход модифицирующей добавки МУНТ «Ful Vec»; количество специализированного газообразователя «STAPA Alupor N905», содержание в смеси пластифицирующей добавки «MELFLUX 5581F». В качестве функции отклика были заданы физико-механические характеристики, определяемые для теплоизоляционного автоклавного газобетона: предел прочности на сжатие и на растяжение при изгибе (Ясж, RU3J, средняя плотность газобетона (р) и коэффициент его теплопроводности (Л), а также отпускная влажность АГБ (Womn).