Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы, в связи с увеличением стоимости энергоресурсов, образовался устойчивый интерес к конструкционно-теплоизоляционным строительным материалам. Это позволит значительно улучшить энергоэффективность зданий, снизить капитальные затраты на строительство и отказаться от использования дополнительных теплоизоляционных материалов.
Одним из самых распространенных эффективных теплоизоляционных материалов является ячеистый пено- или газобетон. В настоящее время возрастает потребность в применении легких теплоизоляционных элементов ограждающих конструкций, обладающих необходимой прочностью на сжатие и растяжение, высокой трещиностойкостью и долговечностью. Этим требованиям в полной мере соответствуют дисперсно-армированные пенобетоны неавтоклавного твердения. В качестве армирующих бетонную матрицу компонентов наибольшее распространение получили полимерные и базальтовые фибровые волокна, которые, обладая малой плотностью, способствуют трехмерному повышению прочности и препятствуют образованию микротрещин.
Свойства каждого бетона тесно связаны с его структурой, которая, главным образом, обусловливается соотношением составляющих ее компонентов. На физико-механические свойства пенобетона оказывает влияние прочность межпоровых перегородок. При этом необходимо учитывать отрицательное воздействие на их прочность большого количества воды для затворения. Одним из путей увеличения прочности межпоровых перегородок является снижение водоцементного отношения, которое ведет к уменьшению капиллярной пористости материала и повышению его прочности.
Основываясь на проведенных ранее экспериментах, путем сравнения полиамидного, стеклянного, полипропиленового и базальтового волокна, установлено, что полипропиленовое и базальтовое волокно обладает рядом преимуществ. Применение высокодисперсных полимерных и базальтовых волокнистых наполнителей способствовало за счет высокой адгезии к цементной матрице увеличению прочностных характеристик тонких межпоровых прослоек в пенофибробетоне.
Установлена возможность улучшения физико-механических свойств пенофибробетонов за счет упрочнения структуры на микроуровне путем введения в пенобетонную массу аппретированных полых стеклянных микросфер или алюмосиликатных (керамических) полых микросфер. В настоящее время полые стеклянные и керамические микросферы использовались, в основном, для цементных тампонажных растворов, а применение их в пенофибробетонах находится в начальной стадии разработок, т.е. недостаточно изучено. Поэтому необходимо изучить влияние полых стеклянных микросфер на физико-механические свойства пенофибробетонов.
На основании анализа литературных данных по применению наномодификаторов различного происхождения выявлена необходимость проведения экспериментальных исследований по изучению влияния модифицирующих и наноуглеродных добавок на микро- и наноструктуру пенофибробетона с целью улучшения его теплоизоляционных и механических свойств.
Цель работы – получение пенофибробетонов с использованием полимерных и базальтовых дисперсных волокон, микропористых наполнителей, а также суперпластификаторов и модифицирующих нанодобавок, направленное на увеличение их прочности и коэффициента конструктивного качества, а также повышение эффективности процесса приготовления сырьевой смеси.
Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
- определить наиболее оптимальное содержание подобранных микроармирующих полимерных и базальтовых фибровых волокон и оценить их влияние на физико-механические свойства смеси;
- исследовать влияние современных отечественных пластифицирующих добавок совместно с различными пенообразователями, способствующих снижению водоотделения и нерасслаиваемости пенофибробетонной смеси для получения составов с максимальной прочностью;
- произвести оценку влияния полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов для снижения плотности пенофибробетона и увеличения прочностных характеристик на микроуровне;
- для установления зависимости показателей прочностных характеристик пенофибробетона на микро- и наноуровне от совместного воздействия компонентов, входящих в его состав, произвести оценку влияния концентрации полых стеклянных микросфер в сочетании с подобранными суперпластификаторами и наноуглеродной добавкой;
- исследовать структуру образцов пенофибробетонов в микро- и нанодиапазоне с помощью цифрового стереомикроскопа «Альтами LCD» и сканирующего зондового микроскопа «Nanoeducator (NT-MDT)»;
- разработать новые составы и технологии приготовления пенофибробетонов с увеличением прочности и коэффициента конструктивного качества;
- для практического внедрения результатов исследований предложить ограждающий элемент с повышенными теплозащитными свойствами на основе разработанных составов пенофибробетона.
Научная новизна работы:
- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено применение высокодисперсных волокнистых наполнителей, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер для повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет использования компонентов, упрочняющих структуру пенофибробетона на микро- и наноуровне;
- экспериментально подтверждена возможность применения суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» и получения составов пенофибробетонов с максимальной прочностью;
- установлено влияние концентрации аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* в сочетании с разной концентрацией суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800», а также наноуглеродной добавки «Таунит» и суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4» на увеличение прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона;
- разработаны новые составы пенофибробетонной смеси и технология ее приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц суперпластификатора совместно с водой затворения и дополнительно вводимой наноуглеродной добавкой, что улучшило межчастичные электровзаимодействия на коллоидно-химическом уровне и способствовало повышению реакционной способности смеси при снижении водоцементного отношения.
Практическая значимость работы:
- разработанный и запатентованный «Состав сырьевой смеси для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления» (Патент № 2422408 от 27.06.2011 г.), включающий микроупрочнители из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатор «Sika ViscoCrete – 3» и многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм способствует увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона, приготовленного по предлагаемому способу;
- разработан ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 202040 (см) на основе пенофибробетона с устройством в нем системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм. Установлено, что с увеличением количества воздушных экранов происходит уменьшение коэффициента теплопроводности экранированного блока без снижения прочности;
- внедрение результатов исследований осуществлялось при строительстве малоэтажных коттеджных зданий. Экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков путем частичной замены стандартного силикатного кирпича и уменьшения толщины стены составил 54000 руб. при общей площади теплоизолируемой поверхности 288 м2.
Личный вклад в решение проблемы
Разработан состав сырьевой смеси для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления; разработан ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 202040 (см) на основе пенофибробетона с устройством в нем системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм.
На защиту выносится:
- теоретическое и экспериментальное обоснование применения высокодисперсных волокнистых наполнителей, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер для повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси;
- результаты исследований применения суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» и получения составов пенофибробетонов с максимальной прочностью;
- результаты оценки влияния концентрации аппретированных полых стеклянных микросфер в сочетании с разной концентрацией суперпластификаторов, а также наноуглеродной добавки «Таунит» на увеличение прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона;
- оптимальные составы пенофибробетона и технология его приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе суперпластификатора совместно с водой затворения и дополнительно вводимой наноуглеродной добавкой.
Реализация работы:
- практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов пенофибробетонных блоков с использованием базальтовой фибры и суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800», для строительства коттеджного поселка, расположенного в Волгоградской области, п. Горьковский. Экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков составляет 270000 руб. (двести семьдесят тысяч рублей), общая площадь теплоизолируемой поверхности составила 1440 м2;
- разработанный состав пенофибробетона с применением аппретированных полых стеклянных микросфер, пенообразователя «ПО-6», суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4» и полипропиленовой фибры использовался при изготовлении пенофибробетонных блоков для теплоизоляции стен двухэтажного коттеджа расположенного в п. Средняя Ахтуба Среднеахтубинского района Волгоградской области. Общая площадь теплоизолируемой поверхности составила 288 м2. Экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков составляет 54000 руб. (пятьдесят четыре тысячи рублей), за счет уменьшения толщины стены, путем частичной замены стандартного силикатного кирпича на теплоэффективный пенофибробетонный блок.
Достоверность результатов работы обеспечена:
- изучение свойств разработанных составов пенофибробетонов проводилось при помощи современного оборудования и методик, включая приборы неразрушающего контроля для определения прочности (ультразвуковой прибор Пульсар-1.2.) и теплопроводности - «МИТ-1», которые отвечают нормативной документации и обеспечивают достоверность полученных результатов;
- применялись современные методы математической статистики для обработки экспериментальных данных с минимальной погрешностью;
- исследование микро- и наноструктуры пенобетонных образцов производилось современным цифровым микроскопом «Альтами LCD» и сканирующим зондовым микроскопом Nanoeducator (NT-MDT).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Четвертом Международном форуме по нанотехнологиям (26-28 октября, 2011 г. - Москва: «Rusnanotech Expo’2011»); Международной неделе строительных материалов, посвященной 65-летию образования строительно-технологического факультета (2009г. - Москва: МГСУ); 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона», (г. Михайловка, Волгоградской области, 22-23 октября 2009г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (г. Волгоград, ВолгГАСУ, 2009г., 2011г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (г.Волгоград, ВолгГУ , 2009г.); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г.Белгород: БГТУ, 2010г.); 6-й Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград: ВолгГАСУ , 2011г.); 10-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г.Будапешт, 2012г.); Международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика». (г.Улан-Уде, 2012г.); Международном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность Волгограда» (г.Волгоград, 2012г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы и выполненных исследований изложены в 13 публикациях, в том числе: 2 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, получен патент на изобретение РФ № 2422408 от 27.06.2011 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 138 наименований, и приложения. Содержит 161 страницу машинописного текста, в том числе 46 рисунков и 46 таблиц.
Похожие диссертации на Пенофибробетоны с применением микроупрочнителей и модифицирующих добавок
