Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 10
1.1. Производство и применение ячеистых бетонов на современном этапе 10
1.2. Обзор научных исследований по применению растительных волокон для производства дисперсно армированных цементных композитов за рубежом и в Социалистической Республике Вьетнам 25
1.3. Цель и задачи исследований 30
Глава 2. Характеристика сырьевых материалов, возможных к использованию в технологии дисперсно-армированного пенобетона. Методики исследований 32
2.1. Характеристика сырьевых материалов 32
2.1.1. Волокнистый компонент— кокосовое волокно 33
2.1.2. Цементное вяжущее и песок 38
2.1.3. Пенообразователь , 41
2.2. Методики исследований, приборы и оборудование 41
2.2.1. Изучение микроструктуры кокосового волокна, пенобетона ДАКВ методом электронной микроскопии и рентгенографического микроанализа . 41
2.2.2. Методы, приборы и оборудование для приготовления пены и пепо-бетонной смеси 45
Глава 3. Теоретические предпосылки получения пенобетона ДАКВ и экспериментальные исследования физико-химических процессов в цементных растворах в присутствии кокосовых волокон 49
3.1. Теоретические предпосылки получения пенобетона ДАКВ 49
3.1.1. Изучение структуры и химического состава кокосового волокна, как сырья для изготовления дисперсно армированного пенобетона 58
3.1.2. Изучение физико-механических свойства кокосового волокна, как дисперсной арматуры для пенобетона 64
3.2. Экспериментальные исследования физико-химических процессов в цементных растворах в присутствии кокосовых волокон 70
3.2.1. Исследование стойкости кокосового волокна и повышения его стабильности в пенобетоне ДАКВ химическими модификаторами 70
3.2.2. Исследование влияния водорастворимых веществ кокосового волокна на гидратацию и твердение цементного камня рентгенографическим методом 80
3.2.3. Исследование влияния параметров ДАКВ на плотность и прочностные показатели пенобетона 83
3.2.4. Исследование особенности структуры пенобетона в зоне контакта цементного камня с кокосовым волокном 86
Глава 4. Оптимизация состава и эксплуатационные свойства пенобетона ДАКВ 88
4.1. Подготовка кокосового волокна для получения пенобетона ДАКВ...88
4.2. Исследование влияния параметров и концентрации кокосового волокна для получения пенобетона ДАКВ 91
4.3. Оптимизация состава пенобетона ДАКВ 94
4.4. Изучение эксплуатационных показателей пенобетона ДАКВ 105
4.4.1. Исследование сорбционной влажности, водопоглощения
и коэффициента размягчения 105
4.4.2. Исследование тешгофизических свойств пенобетона ДАКВ.., 107
4.4.3. Исследование деформативных свойств пенобетона ДАКВ 108
Глава 5. Разработка технологии и опытно-промышленное опробование результатов исследований 111
5.1. Технологическая схема производства стеновых блоков на основе пенобетона ДАКВ 111
5.2. Опробование составов и технологии получения дисперсно армированого пенобетона в заводских условиях 114
5.3. Технико-экономическое обоснование эффективности применения пенобетона ДАКВ для возведения несущих стен и перегородок зданий 116
Общие выводы 121
Литература 123
Приложения 132
- Производство и применение ячеистых бетонов на современном этапе
- Волокнистый компонент— кокосовое волокно
- Изучение структуры и химического состава кокосового волокна, как сырья для изготовления дисперсно армированного пенобетона
- Исследование влияния параметров и концентрации кокосового волокна для получения пенобетона ДАКВ
Введение к работе
В настоящее Бремя строительство в сельской местности Социалистической Республики Вьетнам осуществляется в основном из материалов с применением отходов тропической древесины, а также из отходов сельскохозяйственного производства с применением портландцемента. Особенно эффективны такие составы при изготовлении стеновых блоков, перегородочных материалов и изделий. В связи с бурным развитием строительства в Социалистической Республике Вьетнам (СРВ) все больше требуется современных эффективных материалов различного функционального назначения. Одним из таких материалов является ячеистый бетон, который до выполнения данной работы почти не применялся в строительстве СРВ.
Анализ тенденции развития эффективных строительных материалов показал, что среди ячеистых бетонов интенсивно развивается производство неавтоклавных пенобетонов. Пенобетон изготавливается из традиционного сырья (цемент, песок), не требует сложного оборудования, может выпускаться широкой номенклатуры (стеновые блоки, перегородочные плиты, элементы заполнения и другие) изделий. Здания из таких материалов отличают низкая стоимость квадратного метра жилья и высокая комфортность среды обитания, особенно в условиях теплого и влажного тропического климата в СРВ. Однако широкое применение пенобетонных изделий сдерживает низкий показатель прочности при изгибе, поэтому исследования данной работы посвящены созданию пенобетона дисперсно-армированного волокнистыми отходами сельского хозяйства. К таким отходам относятся прежде всего кокосовые волокна, большие накопления которых имеются в СРВ.
Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГСУ на 2002-2004 гг. и плана НИР Министерства Строительства СРВ.
Производство и применение ячеистых бетонов на современном этапе
Ячеистые бетоны относятся к той разновидности легких бетонов, в которой снижение средней плотности материала достигается путем образования ячеек газовых или воздушных пор. Размер ячеек может измениться от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров, при этом объем пор составляет от 60 до 90 % от объема материала при средней плотности 400-900 кг/м3.
Впервые промышленный выпуск ячеистых бетонов был организован в Швеции в середине 20-х годов XX века. Фирмы Ytong и Siporeces начали выпускать соответственно газосиликат и газобетон. Первые работы по созданию технологии ячеистых бетонов в России относятся к 30-м годам, когда был разработан теплоизоляционный пенобетон естественного твердения.[1],
Ячеистые бетоны разделяют по технологии поризации массы; — газобетон, поризация в котором производится за счет введения газообра зующих добавок; — пенобетон, поризация которого производится смешением раствора вяжущего с пеной (традиционная технология) или при минерализации пены сухой смесью вяжущего (технология сухой минерализации пены); — аэрированный бетон, в котором поризация производится путем введения воздухововлекающих добавок в раствор вяжущего. В мировой практике наибольшее развитие получил газобетон — выпуск газобетонных панелей и блоков налажен более чем в 50 странах. Это сложное энерго- и материалоемкое производство, предусматривающее помол всех компонентов до высокой степени дисперсности (тонкость помола должна быть не ниже 3000 см /г), и, как правило, твердение изделий происходит в автоклавных установках в среде пара повышенного давления (0,9 - 1,2 МПа). В настоящее время в различных странах мира накоплен большой опыт по производству яче исто-бетонных изделий. Основной объем выпуска ячеистых бетонов приходится на заводы, работающие по лицензиям фирм: Неопор (РФ-ФРГ); Hebel, Ytong, Siporeces (Швеция); Verhan, Graizell (ФРГ); Selcon (Великобритания) и др. Кроме того, в целом ряде стран, например: Китай, Польша, Чехия, Япония, РФ, СНГ работают заводы по своим технологиям и лицензиям вышеуказанных фирм [2]. Малые объемы производства пенобетона по сравнению с газобетонами объясняются отсутствием высокоэффективных пенообразователей и широкомасштабного производства быстротвердеющих вяжущих. Данная ситуация в настоящее время меняется в связи с расширением производства цемента и использованием синтетических пенообразователей на основе низкомолекулярных ПАВ. Использовавшиеся ранее пенообразователи на основе природных и органических продуктов (клееканифольные и смолосапониновые пенообразователи, ГК и др.) характеризовались нестабильностью свойств. При смешении пены с раствором вяжущего происходило ее механическое разрушение, для предотвращения этого использовались пены высокой кратности (10-15) и повышенное водо-вяжущее соотношение (0,6-0,8). Незначительное снижение поверхностного натяжения воды требовало повышенного расхода ,, пенообразователя, что приводило к "отравлению" вяжущего. Это не позволяло создать управляемую технологию получения пеномасс, и создавало сложности в целенаправленном регулировании свойств материала. Существует несколько типов деления и классификации ячеистых материалов [3]: - по функциональному назначению, зависящему от вида пористости преобладающей в материале и объема пор: а) изоляционные со средней плотностью до 500 кг/м с общей пористостью Побщ=82-92% (звукопоглощающие материалы - с ячеистой сообщающейся пористостью Побщ=78-82%; теплоизоляционные материалы - с ячеистой закрытой пористостью Побщ=82-92%); Ф б) изоляционно-конструкционные со средней плотностью 500-900 кг/м3 и Побщ=66-82%; в) конструкционные со средней плотностью 900-1500 кг/м и П0бщ=48-62%. - по виду вяжущего: - на основе портландцемента (газобетон, пенобетон), - на основе известково-кремнеземистых вяжущих (газосиликат, пеноси ликат), - на основе гипсовых вяжущих (газогипс, пеногипс). В раде случаев возможно применение смешанных вяжущих. По виду тепловой обработки ячеистые бетоны делятся на материалы: - естественного твердения, - при нормальном давлении при пропаривании, сушке, электропрогреве и т.д. - автоклавные, у которых набор прочности проходит при повышенном давлении 8-12 атм. В настоящее время наиболее широко распространена технология, осно ванная на способе газообразования при выделении газообразных продуктов в ;; объеме материала, находящемся в пластично-вязком состоянии. Газообразование имеет несколько разновидностей. Наиболее распространен способ, ос- ... нованный на взаимодействии искусственно вводимого газообразователя -алюминиевой пудры с компонентами массы при температуре 80-95С и с использованием вибрационных воздействий. Приготовление ячеистой массы при использовании технологии газообразования состоит из следующих пере делов: - приготовление, дозирование и смешение всех компонентов в одном агрегате, с одновременным подогревом раствора до получения однородной смеси (раствора); - формование изделий заключается в разливе раствора в формы, с последующей выдержкой изделий или массива; в формах происходит поризация смеси (вспучивание) за счет газовыделения. После окончания процесса формования изделия выдерживают в течение 1 -2 час.
Поризация массы происходит на стадии формования изделий, после разлива массы в формы и во время предварительной выдержки. Процесс выдержки может происходить без воздействий на массу (литьевая технология), или возможна вибрация форм со вспучивающейся смесью (технология виброформования). Вибрация способствует увеличению скорости газообразования и газовыделения в смеси, а также позволяет сократить время предавток-лавной выдержки, влажность готовых изделий и исходное водо-твердое соотношение массы.
Регулирование пористости смеси затруднено, из-за невозможности контролировать распределение газообразования по объему массы и трудности торможения процесса газообразования на определенном этапе при достижении требуемого значения пористости.
Волокнистый компонент— кокосовое волокно
Вопросами, связанными с теоретическими обоснованиями применения волокон при дисперсном армировании, занимались ученые многих стран [25, 26, 27], Большой интерес к данной проблеме связан с тем, что применение тонко дисперсного волокна в цементной системе требует изучения его стабильности, надежности сцепления, разработки технологических возможностей его равномерного распределения.
Дисперсно армированные пенобетоны, как композиционные материалы представляют собой системы с несколькими структурными уровнями, скомпонованными через поверхности раздела фаз по принципу последовательной агрегации компонентов. Среднестатистические размеры структурных элементов при переходе на смежный уровень возрастают ступенями с объёмной кратностью 3-4. При этом образуется непрерывная система твердой фазы с повышенной плотностью вещества в центрах агрегатных образований и пониженной - на их периферии, где и сконцентрированы микродефекты структуры [28, 29].
Объективно признано достоверным [30], что равномерное распределение элементов микроструктуры в условиях земного тяготения практически недостижимо. При переходе любой, наполненной частицами твердой фазы, системы из вязкого состояния в упругое, в ней формируются кластеры. Кластеры - агрегаты дисперсных частиц, формально являющиеся элементами структуры следующего, более грубого масштабного уровня. Важнейшей характеристикой кластерных образований в структурах материальных тел является снижение их плотности по направлению от центра к периферии [30, 31, 32, 33]. Кроме того, на форму и физико-механические свойства кластеров в дисперсных системах весьма важное влияние оказывают: - вещественный состав и количество связующего. Так как, именно связующее характеризуется максимальным количеством поверхностной энергии [30], - природа, форма и геометрические параметры заполнителей (или наполнителей), поскольку они способны влиять на размеры и плотность кластерных образований [31, 32] Вопросам влияния вещественного состава и количества связующего на физико-механические свойства ячеистых бетонов посвящено огромное количество работ [33, 34, 35, 36, 37]. Из них следует, что в период преобладания вязких связей при формировании кластерных структур в дисперсных системах имеют место напряжения и деформации, размер которых регулируется такими факторами, как свойства, форма и размеры заполнителей. Поэтому можно полагать, что в связи с изменением параметров и условий структуро-образования пенобетонных смесей за счет их дисперсного армирования кокосовыми волокнами должно иметь место изменение физико-механических свойств этих материалов. Общепризнанно, что теоретическая прочность материалов значительно больше той, которую специалисты получают на практике [38,39,40,41]. Расчеты физиков, основанные на модели атомных связей, показывают, что прочность материалов должна достигать, как минимум, 5..Л 5 % от модуля упругости (Е)[42]. Однако, большинство материалов, в том числе и ячеистые бе-топы, разрушаются при напряжениях составляющих всего 0,1...1,0% от Е [41, 42,43,44,45]. Причиной такого поведения под нагрузкой являются дефекты, приобретаемые материалами в период фазовых переходов при формировании структуры и представленные порами и трещинами [45,46,47]. При устранении трещин или причин, ведущих к их возникновению, прочность реальных материалов может достигать теоретических значений [48,49]. Литературный обзор показывает [38,50,51], что под действием нагрузок в материале (рис. 3.1) на границе дефекта длиной "а" и с радиусом устья "г" происходит концентрация напряжений "ок", характеризуемая коэффициентом "к": - Принято считать не развивающимися под действием нагрузки такие дефекты, у которых отношение длины "а" к характерному размеру неоднородности материала "т," меньше L. Введение в структуру пенобетона, отрезков полиамидной дисперсной арматуры, у которых длина в 10...100 раз (больше толщины межпорсвых перегородок, как минимум на порядок увеличивает размер "пі;" - размер характерной неоднородности материала [38]. Известно, что развитие трещин под действием нагрузок в иенобетонах идет ускоренным темпом (хрупко). Для лавинообразного роста трещин в таком материале энергии надо меньше, чем её высвобождается в результате разрушения и превращения в поверхностную. Избыток энергии концентрируется в виде напряжений в острие трещин [51,52]. В дисперсно армированных пенобетонах, трещина, развивающаяся под действием внешней нагрузки, достигнув поверхности фибры, столкнется с явлением скачкообразного увеличения радиуса кривизны в своем устье "г". Скачкообразное увеличение "г" произойдет потому, что деформативность фибры более чем на порядок выше деформативности бетона, а модули упругости фибры (Еф) и бетона (Е6) находятся в соотношении - Еф Ее- Увеличение радиуса кривизны вызовет соответствующее ему понижение концентрации напряжений в острие трещины. Это приведет к диссипации энергии от внешней нагрузки в том объеме материала, который связан с фиброй адгезионными силами, и замедлению скорости распространения трещины. По справочным данным деформативность фибры составляет 4...15 % [53,54] что до 1000 раз может превышать деформативность цементного камня. Из механики композиционных материалов [55] следует, что если модуль упругости волокна (Еф) больше модуля упругости бетона (Е6), то при разрыве матрицы, фибра оказывается способной в каком-то диапазоне роста напряжений принимать всю нагрузку самостоятельно. Причем трещины, возникающие в бетонной матрице при напряжениях ниже предела упругости волокна, носят обратимый характер при условии снятия нагрузки. Теоретические исследования [56,57] показывают, что в ходе деформиро вания в композиционных материалах должны наблюдаться следующие стадии:
Изучение структуры и химического состава кокосового волокна, как сырья для изготовления дисперсно армированного пенобетона
Теплопроводность ячеистого бетона выражается косвенным образом через его плотность и пористость.
В строительных ограждающих конструкциях теплопередача происходит в основном путем теплопроводности и конвективного переноса теплоты. Поэтому теплопроводность в ограждающих конструкциях зданий из ячеистого бетона зависит в основном от плотности, влажности и характеристик пористой структуры.
Видно, что на теплоизоляционные свойства бетона влияет равномерность распределения пор в материале. Именно эту зависимость исследовали и мы в своей работе, добиваясь однородности материала по разным местам в образце. Из исследования макроструктуры видно, что полученный материал из пенобетона ДАКВ имеет достаточно однородную структуру при 0,5-1,8 % содержания волокна. Результаты исследований приведены в табл. 4.8.
Форма и размер воздушных включений оказывает большое влияние на теплопроводность ячеистого бетона, Сопротивление тепловому потоку возрастает с увеличением числа и уменьшением толщины воздушных прослоек.
Известно, что увеличение теплопроводности ячеистого бетона при увлажнении связано с заменой воздуха в порах на воду. Так как вода в соответствии с законами капиллярного распределения располагается, прежде всего, в мельчайших порах, то есть обладающих большим термическим сопротивлением и образует в местах контакта с твердой фазой дополнительные тепловые перемычки. Кроме этого диффузия водяного пара играет при теплопередаче весьма важную роль, так как представляет собой нестационарные процессы переноса тепла при дифундировании влаги через поровые перегородки к более холодной стенке. Этот процесс имеет практическое значение при расположении теплоизоляционных слоев в ограждающих конструкциях.
Таким образом анализ результатов исследований теплопроводности показывает, что полученный пенобетон ДАКВ соответствует нормативным требованиям и может быть использован в ограждающих конструкциях.
Известно, что ячеистые пен об етоны характеризуются высокими деформационными характеристиками, как в процессе свободной усадки вследствие изменения водо с одержання, так и при деформациях под нагрузкой. Большие деформации приводят к микротрещинообразованию при эксплуатации, в результате крупноразмерные изделия покрываются сеткой трещин и долговечность конструкций снижается. Поэтому проводятся большие работы по уменьшению свободных и вынужденных деформаций ячеистого бетона [5, 37,51].
Использование в составе смеси кокосового волокна и снижение водо-твердого отношения должны приводить к уменьшению деформаций пенобетона ДАКВ.
Полная усадка пенобетона включает в себя влажностную, карбонизационную и контракционную составляющие. Испарение воды из цементного геля сопровождается сближением частиц и является причиной влажпостной усадки. Карбонизация гидратных соединений, в первую очередь гидроксидов кальция, с переходом их в углекислый кальций и гидроокислы кремнезема, глинозема и железа, может вызвать дополнительную усадку ячеистых бетонов. Контракционная усадка обусловлена уменьшением абсолютного объема системы цемент-вода при их взаимодействии. Для оценки трещиностойкости пенобетона в атмосферных условиях наибольший интерес представляет суммарная усадка от технологической влажности до равновесной.
Деформация усадки изучалась на образцах призм размером 10x10x40 см Для проведения испытаний было изготовлено две призмы, которые через сутки были установлены в специальный прибор и помещены в камеру при стандартных условиях влажности 70 ± 5 % и температуре t = 25 ± 2С. Деформации усадки определяли при помощи индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм на базе 200 мм. Показания снимались в течении первого месяца каждый день, последующем до трех месяцев через неделю, далее один раз в месяц.
Для проявления карбонатизационной усадки, которая, как известно, наступает значительно позже влажностной, продолжительность измерений усадки в исследованиях составила 1 год. Результаты измерений усадки пенобетона представлены на рис. 4.П.
Проведенные исследования показали, что суммарная естественная усадка у пенобетонов ДАКВ соответствует ГОСТ 25484-89, и не превышает 3 мм/м.
Визуальный анализ поверхности стеновых блоков из пенобетона ДАКВ размером 150x200x300 мм, в течение двух лет, позволяет констатировать высокую деформативную стойкость и трещиностойкость разработанного материала. Поверхность блоков остается ровной, без трещин. Полученные результаты при испытании контрольных лабораторных образцов, позволили установить увеличение прочности пенобетона ДАКВ во времени (рис. 3.21).
Таким образом, использование кокосового волокна в роли дисперсного армирования пенобетона за счет создания в теле материала прочного каркаса и меньшего водотвердого отношения приводит к значительному уменьшению свободной усадки теплоизоляционно-конструктивного и конструкционного пенобетона.
Исследование влияния параметров и концентрации кокосового волокна для получения пенобетона ДАКВ
С целью проверки полученных результатов исследований, было проведено опробование технологии стеновых блоков на основе пенобетона ДАКВ в условиях СРВ, на заводе "Строительные материалы нового века" в г. Шадь-ек, провинции Донг Тхап,
С целью проверки возможности использования турбулентнокавитационной технологии при производстве блоков из дисперсно армированного пенобетона на производственной базе ЗАО «Фибробетон» был произведен выпуск опытной партии. При выпуске опытной партии использовался портландцемент М400, кокосовое волокно из СРВ, пенообразователь ПБ-2000. Перед выпуском опытной партии волокно было измельчено до размеров 5, 10, 15 мм. В связи с этим были подобраны три состава пенобетона, которые были получены и испытаны при выпуске опытной партии.
При подготовке волокна из него были удалены крупные неволокнистые включения и определена его водопотребность. Дополнительное количество воды, необходимое для смачивания волокна, учитывалось при подготовке пеномассы. Приготовление пеномассы осуществлялось в турбулентно-кавитацион-ном смесителе периодического действия емкостью 30 л. Подача компонентов смеси в смеситель проводилась вручную. Составы замесов для получения пенобетона ДАКВ, приведены в табл. 5.2. При опробовании была предусмотрена следующая последовательность операций: - заполнение смесителя водой, - добавление пенообразователя, - добавление и равномерное распределение волокна в растворе ПАВ, - начальное вспенивание волокнистой суспензии до заданной кратности, - добавление в пеномассу при непрерывном перемешивании цемента и песка, - перемешивание пеномассы для стабилизации и гомогенизации структуры. Приготовленная таким образом пеномасса разливалась в формы и выдерживалась два дня до распалубки. После распалубки образцы в течение 28 суток находились в нормальных температурно-влажностных условиях, а затем испытывались на прочность при сжатии, изгибе и во до поглощение. Результаты испытаний приведены в таблице 5.3. В качестве обоснования целесообразности изготовления стеновых изделий из пенобетона ДАКВ было проведено сравнение экономической эффективности данного производства с производством глиняного кирпича в условиях СРВ. Экономическая эффективность использования пенобетона ДАКВ рассчитана применительно в условиях СРВ на базе завода "Строительные Материалы Нового Века", г. Шадьек, провинция Донг Тхап СРВ с августа 2003 года по настоящее время [приложение №2]. Экономическая эффективность замены традиционных стеновых материалов - глиняного кирпича стеновыми блоками на основе пенобетона ДАКВ обусловлено снижением себестоимости производства и строительства за счет уменьшения материальных и трудовых затрат. Экономический эффект от замены стенового глиняного кирпича на стеновой блок из пенобетона ДАКВ как строительного материала определяется разницей стоимости 1 м объема условной стены возводимого здания в расчете возведения несущих стен и внутренних перегородок возводимого здания и составляет от 5 до 7 % в зависимости от типа здания при соответствующем сравнении затрат. Данные по стоимости возведения зданий нежилого и жилого типа в условиях СРВ приведены в приложении № . Применение стеновых блоков на основе пенобетона ДАКВ позволит получить значительный экономический эффект при возведении зданий жилого и нежилого типа в условиях СРВ. Опытно-промышленное опробование и технико-экономические расчеты показали, что применение технологии пенобетона ДАКВ в домостроении в условиях СРВ позволяет решить проблемы применения прогрессивных технологий и эффективных материалов для ограждающих конструкций в строительстве. Возводить здания на слабых грунтах в таких провинциях как дельта реки Кыу-Лонг (СРВ). Также организация производства стеновых изделий из пенобетона ДАКВ в условиях СРВ решает ряд социальных и экологических задач настоящего времени; 1) организация новых рабочих мест; 2) снижение стоимости жилья при увеличении жилищного строительства; 3) утилизация отходов сельскохозяйственных предприятий; 4) снижение загрязнения окружающей среды отказом от обжига и тепловой обработки изделий (как в технологии производства глиняного кирпича); 5) экономический эффект от расширения посевных площадей за счет сокращения промышленных площадей при организации производства пенобетона дисперсно армированного кокосовым волокном; 6) освобождение ценных земельных ресурсов (глина и почвы) для выращивания сельхозпродукции при переходе на производство пенобетона дисперсно армированного кокосовым волокном; 7) экономия топливно-энергетических ресурсов за счет отказа от обжига при производстве пенобетона дисперсно армированного кокосовым волокном.
