Введение к работе
Актуальность. Разработка вопросов, связанных с созданием комфортных условий в системе «человек - материал - среда обитания», становится в последнее время одним из важнейших направлений науки Расчетами Росстроя РФ, выполненными для реализации федеральной целевой программы «Жилище» в рамках Национального проекта «Доступное и комфортное жилье -гражданам России», определена потребность в эффективных теплоизоляционных материалах для строительства При объеме нового строительства 56 млн м2 жилой площади в год и объеме реконструкции - 20 млн м2 понадобится около 18 млн м эффективных утеплителей Проблема энергосбережения в строительстве, обозначенная требованиями изменений № 3 к СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника», определила интенсивное направление по созданию и производству эффективных дешевых материалов с высокими теплофизическими свойствами
Одним из наиболее перспективных материалов такого класса является экологически чистый негорючий ячеистый бетон неавтоклавного твердения -пенобетон. Производство эффективного по теплофизическим параметрам пенобетона является проблемным в виду сложности обеспечения стабильности ячеистой структуры и высокой пористости, так как увеличение прочности при постоянной плотности может быть обеспечено только за счет повышения прочности матрицы поризованного материала На сегодняшний день строгий анализ взаимосвязанных факторов, определяющих устойчивость пороминеральных систем на стадии формования, а также свойств готовых изделий, отсутствует В связи с этим возникает необходимость разработки и обоснования научно-методических основ процессов структурообразования пенобетона, разработки и регулирования технологических параметров производства, обеспечивающих заданные строительно-технические свойства готовых изделий
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР на 1996-1998гг по госбюджетному финансированию «Термодинамические и кристаллохимические основы регулирования скорости гидратации вяжущих веществ», в рамках гранта Т-02-12 2-1582 «Теоретические разработки эффективных пенобетонов с комплексными добавками с использованием синтетических пенообразователей» и научно-технической программы Минвуза РФ № 02 01 128 «Разработка новых видов пенообразователей и малоэнергоемкой технологии многокомпонентных пенобетонных смесей и изделий на их основе» на 2003-2005 гг
Цель работы Повышение эффективности производства неавтоклавных пенобетонов с заданными свойствами путем формирования оптимальной структуры
В соответствии с поставленной цель необходимо решить следующие задачи
- сформулировать методологические подходы научных исследований сложных технических и технологических систем, основанные на концепции современного естествознания - синергетики и неравновесной термодинами-
2 ки, установить между выделенными системами взаимосвязи, обеспечивающие получение оптимальных структур с заданными свойствами,
-установить закономерности структурообразования поризованных систем на основе минеральных вяжущих,
разработать принципы создания новых эффективных видов пенообразователей, сформулировать требования к исходным сырьевым компонентам и параметрам технологических переделов изготовления пенобетонов для получения изделий с заданными свойствами,
на основе выявленных закономерностей установить принципы проектирования новых эффективных поризованных материалов и разработать технологию производства высокопоризованных композитов многофункционального назначения
Научная новизна Разработаны методологические принципы научных исследований применительно к композиционным поризованным материалам, основанные на концепциях современного естествознания — синергетике и неравновесной4 термодинамики, которые заключаются в функциональной, структурной декомпозиции и декомпозиции по жизненному циклу, в выделении технической и технологической систем и установлении взаимосвязи между ними, системно-структурном анализе систем с формулированием требований к создаваемым системам, нахождении свойств систем, процедуры их оценки с целью определения управляющих воздействий и границ управления
Выявлены особенности, разработаны теоретические основы структурообразования поризованного цементного камня на основе минеральных вяжущих и пенообразователей с учетом состава и свойств исходных компонентов и закономерностей лиофобных дисперсных систем в трехфазных грубодисперсных высококонцентрированных пеноминеральных смесях, заключающиеся в последовательном образовании простых структур и структур с обратной связью пены, припленочного слоя, цементного камня в меж-поровом пространстве с учетом процессов, происходящих на границе раздела фаз и локального равновесия Показано, что образование простых структур и скорость их образования выстраиваются в следующей последовательности пенная пленка, припленочный слой, цементный камень.
Установлено, что при самоорганизации простых структур большую роль играют поверхностное натяжение пенной пленки и заряд поверхности воздушного пузырька Отмечено влияние дзета-потенциала на структуру и механизм образования припленочного слоя из минеральных частиц, а также влияние хемосорбции молекул ПАВ на твердых частицах на механизм и скорость процессов гидратации вяжущего и морфологию гидратных новообразований Показано, что при изменении последовательности смешивания компонентов с разными кристаллической структурой и минералогическим составом изменяется концентрация пенообразующих ПАВ на различных поверхностях раздела, что приводит к изменению как количественных, так и
з качественных показателей поризованной структуры, повышению устойчивости пеноцементной системы до момента затвердевания
Обобщены и развиты представления о структурно-реологических свойствах поризованных цементных систем с учетом природы пенообразующих ПАВ в широком диапазоне водотвердого отношения Показано, что эффективная вязкость пеномассы с введением в нее высокодисперсной твердой фазы увеличивается за счет увеличения вязкости раствора, находящегося в пузырьковых пленках, а кинетическими единицами вязкого течения являются пузырьки пены, которые стремятся к шарообразной форме Установлены пределы градиента скорости сдвига, при котором наблюдается течение в структурном режиме с широким ядром течения и с полностью разрушенной структурой
На основании комплексных исследований установлено, что в зависимости от природы пенообразующего ПАВ идет селективная адсорбция ПАВ на минеральных частицах и на продуктах их гидратации с изменением скорости гидратации и морфологии образующихся гидратных новообразований Показано, что в присутствии синтетических пенообразующих ПАВ отвердевание вяжущего осуществляется по ионно-диффузионному сквозьраствор-ному механизму массопереноса, при этом образуются мелкокристаллические продукты гидратации В присутствии пептидных пенообразователей отвердевание идет по топохимическому механизму с образованием крупных кристаллогидратов правильной формы
На основании результатов исследований формирования структуры поризованного цементного камня развиты представления и решены практические задачи разработка рецептур пенообразователей и составов пенобе-тонных смесей, оптимизация и управление процессами получения пенобето-нов неавтоклавного твердения широкого спектра назначения Доказана основополагающая роль природы и структуры пенообразователей, процессов воздухововлечения и усреднения, дисперсности минеральных фаз на процессы формирования, устойчивости трехфазных систем, и, в конечном итоге, на свойства поризованных бетонов
Практическое значение Разработаны и определены технологические параметры получения эффективных по теплофизическим параметрам экологически чистых поризованных композитов многофункционального действия
Разработана малоэнергоемкая технологическая схема получения теплоизоляционного ячеистого бетона неавтоклавного твердения с применением пенообразователей различной природы
На основе теоретических представлений, анализа и экспериментальных данных сформулированы принципы подбора рецептуры пенообразователей для пенобетонов, которые были применены при разработке новых композиционных синтетических пенообразователей Разработанные пенообразователи отличаются высокой пенообразующей способностью в сильноминерализованных средах Применение их в технологии пенобетона позволяет снизить на 50 80 % расход дорогостоящих импортных белковых пенообразо-
4 вателей На разработанные рецептуры композиционных пенообразователей получены два патента
Разработаны рецептуры для получения теплоизоляционных пенобетонов марки по средней плотности DS00 и ниже на основе различных минеральных композиций. Полученные пенобетоны по физико-механическим показателям превосходят показатели для теплоизоляционных пенобетонов различных производителей
Установленные принципы выбора вяжущих и минеральных добавок для производства пенобетонов разного назначения в зависимости от типа пенообразователей и применяемого оборудования позволили минимизировать расходы пенообразователей и энергетические затраты, повысить стабильность качества пенобетонных изделий, организовать производство теплоизоляционных пенобетонов со средней плотностью ниже 500 кг/м3 На разработанный способ получения пенобетона получен патент.
На основе выявленного механизма установления равновесия в трехфазных системах разработаны принципы выбора смесителей и сособа воздухо-вовлечения в зависимости от исходных материалов и требуемых характеристик изделий, что позволяет повысить качество пенобетона, снизить энергоемкость, существенно упростить технологию, а в ряде случаев отказаться от пеногенераторов.
Разработана техническая и технологическая документация на теплоизоляционные пенобетоны со средней плотностью ниже 500 кг/м3 на основе различных минеральных композиций (СТО, ТУ, технологические регламенты на производство пенобетонов марки по средней плотности D500 и ниже)
Разработаны методики экспресс-анализа состава композиционных пенообразователей и определения реологических показателей пеноцементных смесей, рекомендованные для применения в промышленных условиях и позволяющие проводить оперативный технологический контроль качества даже в построечных условиях
Определены физико-механические свойства теплоизоляционных неавтоклавных пенобетонов со средней плотностью ниже 500 кг/м3 на основе новых видов пенообразователей, полученных по различным технологиям смешивания и воздухововлечения
Внедрение результатов исследований Разработанные рецептуры теплоизоляционных пенобетонов неавтоклавного твердения и технологические рекомендации использованы при организации производства пенобетонов на фирмах ООО «СПО ЩИТ» (г Шебекино), ООО «Экономстрой» (г Белгород), ОАО «СОТИМ» (г Старый Оскол), ООО «Романовская промышленная компания» (г. Тутаев), ООО «Нефтегазстрой» (г Москва) На основании разработанной рецептуры синтетического пенообразователя налажен выпуск пенообразователя под фирменным названием «Пеностром» на ООО «СПО ЩИТ» (г Шебекино) Пенообразователь «Пеностром» широко используется для производства пенобетонов по различным технологиям в ряде регионов РФ и СНГ
5 Разработана нормативно-техническая документация на выпуск теплоизоляционных пенобетонов со средней плотностью 500 кг/м3 и ниже ТУ 5741-004-45810966-02 на блоки пенобетонные стеновые (ООО «СПО Синтез»), ТУ 5741-001-5777320-2005 на блоки из ячеистых бетонов (ООО «Романовская промышленная компания», СТО 94484286-001-2006 на смеси пенобетонные неавтоклавные НГС РД-1 (ООО «Группа компаний НЕФТЕГАЗСТ-РОЙ»; технологический регламент на производство неавтоклавного ячеистого бетона (ООО «СПО Синтез»), технологический регламент по приготовлению и твердению пенобетона (ООО «СОТИМ плюс»)
Разработанные технологические рекомендации учтены при проектировании и строительстве завода по производству изделий из неавтоклавного ячеистого бетона по резательной технологии в городе Волоколамске Московской области Завод строится по технологии «СОТИМ» Производительность линии составит 100-120 м3 пенобетонных блоков со средней плотностью 400кг/м3 и 350кг/м3
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» и 240304 «Технология цемента», что отражено в учебных программах дисциплин «Применение вяжущих материалов в производстве строительных изделий», «Технология бетона, строительных материалов и изделий», а также при выполнении студенческих НИР и выпускных квалификационных работ
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации вошли в научные труды, докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях "Поверхностно-активные вещества в строительстве", г Санкт-Петербург, 1997, "Актуальные проблемы химии и химической технологии", Иваново, 1997, «Композиционные строительные материалы Теория и практика», г Пенза, 2000 и 2001гг, «Ячеистые бетоны в современном строительстве», г Санкт-Петербург, 2004г, «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», г Ростов-на-Дону, 2004г , «Пенобетон-2000, 2001, 2002, 2003, 2005гг », г Белгород, «Ячеистые бетоны и силикатный кирпич в современном строительстве технология производства, опыт использования», Украина, г Киев, 2007г , «Пенобетон-2007», г Санкт-Петербург, 2007г, на 1-м и 2-м Международных научно-практических семинарах «Теория и практика производства и применения ячеистого бетона"», Украина, г Днепропетровск, 2003, 2005гг, Научных чтениях «Технология бетонов XXI века», г Воронеж, 2004г, IV, V, VII акад чтения РААСН, г Пенза, 1998г , г Воронеж, 2002г , г Белгород, 2005г, II Международном совещании по химии и технологии цемента, г Москва, 2000г, Всероссийской научно-практической конференции «Современные тенденции развития строительного комплекса Поволжья» г Тольят-
ти, 2005 г, Международных научно-практических конференциях, проводимых в БелГТАСМ, БГТУ им Шухова, г Белгород, 1997-2007гг
Под руководством автора защищены 3 диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05 23 05.
В представленной диссертационной работе использованы результаты многолетних собственных теоретических и экспериментальных исследований, а также экспериментальные материалы, полученные в соавторстве и опубликованные в открытой печати
На защиту выносятся. Методологические основы синтеза композиционных поризованных материалов, базирующиеся на концепции синергетики и неравновесной термодинамики.
Теоретические принципы процесса структурообразования поризованно-го цементного камня на основе пенообразователей различной природы с учетом структурных и минералогических особенностей исходных минеральных компонентов системы
Теоретические принципы создания эффективных пенообразователей для ячеистых бетонов и механизм формирования пенных пленок из различных по своей природе пенообразующих ПАВ в высококонцентрированных системах с учетом минералогических особенностей цементирующих компонентов и добавок-наполнителей
Основные закономерности структурно-реологических свойств трехфазных пеноцементноминеральных дисперсных систем
Основные закономерности синтеза новообразований пеноцементноминеральных композиций и принципиальная разница в механизмах и морфологии образующихся кристаллогидратов в зависимости от природы применяемого пенообразователя
Результаты исследования физико-механических свойств пенобетонов на пенообразователях различной природы, получаемых по различным технологиям смешивания и воздухововлечения
Основы технологии производства эффективных теплоизоляционных пенобетонов Результаты полупромышленных, промышленных испытаний и внедрения технологических рекомендаций на различных предприятиях строительной индустрии
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 51 печатной работе, в том числе одной монографии, 3-х нормативных документах, 10 статьях в научных журналах по списку ВАК России, новизна технических решений подтверждена 3 патентами РФ
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из 7 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений Работа изложена на 416 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков, 46 таблицы, список литературы из 402 наименований, 14 приложений
