Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и технологические особенности производства полимербетонов
1.1. Легкие бетоны на минеральном вяжущем 9
1.2. Полимербетоны на основе реактопластов 24
1.3. Особенности технологии производства полимербетонов 29
1.4. Строительные материалы на основе термопластичных полимеров 39
1.5. Технико-экономические предпосылки производства полимербетонов на основе поливинилхлоридного связующего 48
1.6. Задачи исследования 53
Глава 2. Методика проведения эксперимента и оценки физико-механических характеристик
2.1. Исходные вещества 55
2.2. Методика изготовления бетонов на минеральном вяжущем 63
2.3. Особенности приготовления образцов полимербетонов
на основе поливинилхлоридного связующего 64
2.4. Оценка физико-механических характеристик бетонов 64
Глава 3. Легкие бетоны на силикатном заполнителе
3.1. Подбор технологических параметров производства легких бетонов 74
3.2. Влияние метода заливки на свойства бисипорбетона 77
3.3. Возможные пути повышения характеристик бисипорбетона 85
Глава 4. Разработка технологии производства легких полимербетонов на поливинилхлоридном связующем
4.1. Разработка состава легкого полимербетона 92
4.2. Выбор технологических параметров изготовления легкого полимербетона 99
Глава 5. Тяжелые полимербетоны на поливинилхлоридном связующем
5.1. Математическое моделирование композиций для получения полимербетона 108
5.1.1. Обоснование выбора факторов и уровней их варьирования 109
5.1.2. Выбор плана эксперимента
5.1.3. Расчет коэффициентов уравнения регрессии и проверка его адекватности 112
5.2. Влияние модифицирующих добавок на свойства полимербетона 133
Глава 6. Проверка результатов исследований в производственных условиях
6.1. Технологический процесс получения полимербетонов на основе поливинилхлоридного связующего 143
6.2. Области применения и технико-экономические показатели разработанных материалов 146
Выводы 151
Библиографический список 153
Приложения 169
- Легкие бетоны на минеральном вяжущем
- Методика изготовления бетонов на минеральном вяжущем
- Подбор технологических параметров производства легких бетонов
- Выбор технологических параметров изготовления легкого полимербетона
Введение к работе
Повышение требований к эксплуатационным характеристикам строительных изделий способствовало разработке целого ряда новых композиционных материалов. Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что в настоящее время широко используются материалы, сочетающие важнейшие свойства природных высокопрочных материалов с относительно простыми способами получения конструктивно сложных изделий, что и определяет актуальность исследований.
Одной из разновидностей таких материалов являются полимербетонные композиции, которые широко используются в промышленно-гражданском строительстве. В качестве связующего в таких композициях выступают реакто-пласты и термопластичные полимеры, причем не только первичные, но и разнообразные отходы. Ассортимент наполнителей включает кварцевые и керамзитовые пески, гравий, щебень, керамзит, перлит, бой кирпича, бетона, стекла и вообще зернистые материалы, в том числе вторичного использования. Большой вклад в создание таких материалов был сделан работами Ю.М. Баженова, В.В. Патуроева, В.И. Солом ато ва, Ю.С. Липатова.
По сравнению с традиционными бетонами на минеральном вяжущем по-лимербетоны обладают следующими преимуществами: сравнительно кратковременным циклом изготовления, более высоким пределом прочности при изгибе и растяжении, повышенной трещиностойкостью, стойкостью к воздействию большинства промышленных технологических сред и окружающей среды, стойкостью к истиранию, хорошей адгезионной способностью ко многим строительным материалам.
Однако наряду с этими очевидными преимуществами бетоны на основе полиолефинов, полиметилметакрилата, полистирола и других смол имеют ряд недостатков, главными из которых являются: повышенная горючесть (класс горючести ГЗ-Г4), высокая стоимость, низкая ударная прочность и, в отдельных
случаях, недостаточная химическая стойкость.
В связи с этим возникла необходимость создания строительного материала на полимерном связующем, который позволит превысить эксплуатационные характеристики известных полимербетонов. Сравнительный анализ свойств термопластов показал перспективность применения поливинилхлорида (ПВХ) в качестве связующего, что и определяет актуальность исследования.
Разработка технологии нового материала на основе поливинилхлоридного связующего с комплексом свойств, позволяющих использовать его в строительстве объектов как бытового, так и промышленного назначения и является целью настоящего исследования: для легких полимербетонов - средняя плотность не выше 850 кг/м3, прочность при сжатии не менее 10 МПа; для тяжелых полимербетонов - плотность не выше 2000 кг/м3, прочность при сжатии не менее 15 МПа, коэффициент химической стойкости не меньше 0,7, класс горючести не ниже Г1.
Поэтому, исходя из цели работы, при этом решались следующие задачи:
Создание легких и плотных (тяжелых) полимербетонов на основе поливинилхлорида с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками с использованием химически стойких заполнителей.
Исследование возможности использования отходов тепловых электростанций в качестве заполнителя для получения легких полимербетонов на основе поливинилхлоридного связующего. Подбор состава и технологических параметров получения легких полимербетонов с использованием золы-уноса тепловых электростанций.
Изучение физико-механических характеристик полученных изделий (средней плотности, прочности при сжатии и изгибе, ударной прочности, теплопроводности, химической стойкости, водо поглощения, морозостойкости).
Анализ влияния композиционных параметров на свойства тяжелых и легких полимербетонов. Расчет уравнений регрессии характеризующих взаимосвязь состава композиции тяжелого полимербетона с характеристиками готовых изделий.
Исследование влияния воздействия модифицирующих добавок на плотный полимербетон с целью повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик материала.
Разработка технологических режимов получения полимербетонов и расчёт технико-экономических показателей их производства.
Научная новизна работы:
теоретически и опытным путем обоснована необходимость использования органического связующего в виде термопластичного полимера взамен традиционному минеральному вяжущему- портландцементу;
изучено влияние технологических параметров процесса переработки на свойства готового изделия;
с использованием метода планирования эксперимента исследовано влияние состава композиции на физико-механические характеристики материла;
- научно обосновано и экспериментально подтверждено использование
кремнийорганического модификатора, позволяющего получить материал с бо
лее высокими физико-механическими характеристиками.
Практическая ценность:
разработан высокоэффективный экологически безопасный и трудносгораемый строительный материал многоцелевого назначения на основе поливи-нилхлоридного связующего, обладающий высокой ударной прочностью, химической стойкостью, малым значением водопоглощения;
разработан состав полимербетонной композиции с использованием в качестве связующего поливинилхлорида для производства строительных изделий конструкционно-теплоизоляционного назначения.
Реализация результатов:
Результаты исследований внедрены в соответствии с техническим заданием на ПКФ "Инкомпен" (г. Владимир).
Апробация работы:
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: II Всероссийская научная конференция с международным участием "Физико-химия процессов переработки полимеров" (Иваново, ИГХТУ, 2002); Третья научная конференция аспирантов (Иваново, ИГ АС А, 2003); Международная научно-техническая конференция "Производственные технологии и качество продукции" (Владимир, ВлГУ, 2003); Международная научно-техническая конференция "Итоги строительной науки 2003" (Владимир, ВлГУ, 2003), а также на международной выставке "Стройпрогресс" 2003, 2004 (Владимир, Экспоцентр).
Публикации:
По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, включая материалы международных научно-технических конференций.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований воздействия технологических факторов на свойства полимербетонов на ПВХ связующем;
результаты математического моделирования по влиянию ингредиентов композиции на свойства материала и оптимизации состава плотного полимер-бетона;
технологические режимы производства полимербетона на основе поли-винилхлоридного связующего методом прессования с последующей термообработкой.
Легкие бетоны на минеральном вяжущем
Бетон искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения рационально подобранной, хорошо перемешанной и уплотненной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей. Бетон и стальную арматуру, соединенные взаимным сцеплением, совместно работающие под нагрузкой, называют железобетоном. Большая часть строительных материалов приходится на бетон и железобетон. Доля промышленности сборного железобетона составляет около 40% стоимости валовой продукции и основных фондов всей промышленности строительных материалов России [1,2].
Все виды бетонов, имеющих среднюю плотность в воздухо-сухом состоянии менее 1800 кг/м , относят к легким. В настоящее время легкие бетоны являются основными материалами индустриального строительства. Применение изделий из легких бетонов позволяет уменьшить толщину и массу строительных конструкций, укрупнить монтажные элементы, улучшить качество строительства и повысить производительность труда [3,4].
Легкие бетоны классифицируют в зависимости от структуры, вида вяжущего, пористости и заполнителей, а также области их применения. Различают плотные и поризованные легкие бетоны, в которых межзерновая пустотность крупного заполнителя полностью заполнена обычным или поризованым раствором; малопесчаные бетоны — с частичным заполнителем межзерновых пустот крупного заполнителя и беспесчаные (крупнопористые) бетоны, изготавливаемые без мелкого наполнителя. Особой разновидностью легких бетонов являются ячеистые бетоны, имеющие равномерно распределенные поры в виде сферических ячеек, диаметр которых составляет обычно 1-3 мм [5,6]. Вяжущими для производства легких бетонов могут служить минеральные и органические материалы. Из минеральных вяжущих широко применяют цемент (портландцемент, шлакопортландцемент), вяжущие автоклавного твердения (на их основе изготавливают силикатные бетоны), соединения на основе гипса [7-9].
Происхождение заполнителей легких бетонов может быть минеральным или органическим. В строительной практике наиболее часто применяются бетоны на природных или искусственных пористых минеральных заполнителях. Разновидностью легких бетонов на таких заполнителях являются пемзобетоны, туфобетоны, керамзитобетоны, аглопоритобетоны, золобетоны, арболит, опил-кобетоны и др. Для изготовления легких материалов на минеральном связующем возможно применение одновременно различных видов пористых заполнителей. Выделяют также специальные легкие бетоны, к которым предъявляют особые требования, обусловленные условиями их эксплуатации: жаростойкие, дорожные, гидротехнические, химически стойкие и т.д. [10,11].
По назначению различают бетоны теплоизоляционные со средней плотно-стью не более 500 кг/м и теплопроводностью, не превышающей 0,17 Вт/м-С; конструктивно-теплоизоляционные с плотностью 500-1400 кг/м3 и теплопроводностью 0,23-0,64 Вт/м-С, а также конструктивные с плотностью 1400-1800 кг/м . Прочностные показатели теплоизоляционных бетонов (прочность на сжатие) обычно не превышают 1,5 МПа, конструктивно-теплоизоляционных лежат в пределах от 2,5 до 10 МПа, конструктивных -15-50 МПа. Наибольший объем выпускаемых бетонов приходится на долю конструктивно-теплоизоляционных [12].
Технология изготовления изделий из легких бетонов незначительно отличается от производства тяжелых бетонов. Однако имеется ряд особенностей, связанных с различием в свойствах исходных материалов и бетонных смесей [13-16]. Первой стадией технологии производства всех видов бетонов является определение оптимального состава всех составляющих бетонной смеси в зависимости от проектируемых технических показателей. Подбор состава легкого бетона существенно отличается от подбора состава тяжелого бетона в связи с особенностями строения легкого бетона и требованиями, предъявляемыми к нему. Если при подборе состава тяжелого бетона ставится задача обеспечения его прочности и стойкости при минимальном расходе цемента, и средняя плотность, как и теплопроводность бетона, во внимание часто не принимаются, то при подборе состава легкого бетона, как правило, надо обеспечить требуемую прочности при расчетных средней плотности, коэффициента теплопроводности и расходе цемента. Основные отличительные особенности легкого бетона по сравнению с тяжелым приведены в табл. 1.1.
Методика изготовления бетонов на минеральном вяжущем
Основные этапы получения легких бетонов на силикатном гранулированном заполнителе сходны с операциями при производстве бетонов на пористых заполнителях [168]: подготовка материалов; приготовление бетонной смеси; формование; обработка поверхности изделий.
Большинство операций по подготовке исходных материалов (дробление, промывка заполнителей и др.) обычно осуществляют на горнорудных предприятиях. На стадии подготовки материалов при изготовлении легких бетонов в лабораторных условиях компоненты не подвергались никакой дополнительной обработке.
При приготовлении бетонной смеси необходимо учитывать особенности легкобетонных смесей. В бетоносмеситель с начало подают сухой заполнитель (бисипор) и около 2/3 требуемого количества воды с разведенными в ней добавками (суперпластификатор С-3, ОМСЖ). Смесь перемешивают в течение 1 мин, а затем в смеситель подают портландцемент, остальную воду и продолжают перемешивать в течение 4 мин [24]. В композицию вводится постоянное количество бисипора различного фракционного состава.
Формование изделий сводится к следующему: - в случае свободной заливки бетонную смесь заливают при температуре 20±5С в модельный блок и оставляют созревать в течение 5 суток; - смесь, подвергнутую вибрационному уплотнению, после смешения ингредиентов помещают при температуре 20±5С в модельный блок (аналогичный блоку для свободной заливки), установленный на вибростенде. Частота колебаний вибростенда составляет 50 Гц, амплитуда колебаний - 0,4 мм, время уплотнения 180 с. После уплотнения блок снимают со стенда и оставляют на 5 суток в лабораторном помещении.
По истечении 7 дней осуществляют распалубку форм. Извлеченные изделия распиливают на блоки и ведут контроль над изменением плотности в течение всего времени созревания (27 суток). Образцы, предназначенные для испы таний, изготавливают по указанным выше способам в формах, размеры которых указаны в ГОСТах на определенное свойство бетона.
Образцы подвергают механической обработке для придания им правильной геометрической формы, затем испытанию на физико-механические характеристики по известным тестированным методикам.
Особенности приготовления образцов полимербетонов на основе поливи нилхлоридного связующего Изделия из полимербетона на основе поливинил хлорида получают методом прессования. Заполнители (песок, зола уноса) подвергаются просеиванию через сито № 063, промывки (только песок) и высушиванию. Композицию, содержащую песок в качестве заполнителя, перемешивают в барабанном смесителе с ленточной мешалкой. Легкие полимербетоны, содержащие золу уноса, перемешивают в смесителе с пропеллерной мешалкой. Заполнитель и все жидкие ингредиенты (модифицирующие добавки, пластификатор, ТЭГ) перемешивают в течение часа, после чего добавляют ПВХ и продолжают перемешивать до получения однородной массы.
Готовой композицией наполняют форму, уплотняют раклей и прессуют при удельном давлении 20,0 МПа (если заполнитель песок) и 5,0 МПа (если заполнитель зола уноса). Далее отпрессованную таблетку помещают в электрошкаф СНОЛ - 3,5,3,5.3,5/3,5-И4М на желатинизацию при температуре 150-180С в течение 25-50 минут.
Охлажденные изделия извлекают из формы и испытывают на физико-механические характеристики по стандартным методикам.
Согласно ГОСТ 25820-2000 для всех легких бетонов на минеральном связующем обязательны следующие показатели качества: прочностьРросжатщ средняя плотность, морозостойкость, водопоглощение, теплопроводность. Определение предела прочности при сжатии
Испытания по определению предела прочности при сжатии проводятся по ГОСТ 10180 - 90. Сущность метода заключается в измерении минимальных усилий, разрушающих специально изготовленные контрольные образцы бетона при их статическом нагружении с постоянной скоростью роста нагрузки и последующем вычислении напряжении при этих усилиях в предположении упругой работы материала.
Контрольные образцы представляют собой кубы с размером ребра (100±1) мм. Длину и ширину верхнего и нижнего основания образца измеряют штангенциркулем по двум параллельным ребрам, предел допускаемой погрешности измерения ± 0,1 мм. Прочность при сжатии определяется на разрывной машине, обеспечивающей повышение расчетного напряжения в образце до его полного разрушения в пределах (0,6±0,4) МПа/с и позволяющей измерить значение нагрузки с погрешностью, не превышающей 1% значения разрушающего усилия. Целый образец устанавливают в машину так, чтобы сжимающее усилие было направлено параллельно вертикальной оси образца. Разрушающей считают наибольшую нагрузку, отмеченную при испытании образца в момент его раз-рушения. Предел прочности при сжатии (о ж) в МПа (кгс/м ) вычисляют по формуле с точностью до 0,1 МПа (1 кгс/см ):
Подбор технологических параметров производства легких бетонов
В строительной промышленности одним из наиболее широко используемых материалов является легкий бетон. Большое количество научных исследований посвящено подбору состава бетона, модифицирующим добавкам, новым видам наполнителя, методам приготовления легкобетонных смесей. В настоящее время актуальными задачами являются эффективная тепловая защита жилых зданий и промышленных сооружений, производство новых экологических безопасных материалов, сопротивляющихся огневому воздействию. Решением этих проблем может стать применение изделий из легких бетонов на пористых наполнителях.
Настоящая глава посвящена разработке конструкционно теплоизоляционного бетона на пористом заполнителе, а также выборе метода укладки легкобетонной смеси. Силикатный гранулированный заполнитель под торговым названием "Бисипор", применяемый в работе, разработан кафедрой строительного производства Владимирского государственного университета совместно с АО "Интеркварц" [169]. В исследованиях использовался бисипор Б различного гранулометрического состава.
При проектировании состава легкого бетона на новом гранулированном силикатном заполнителе необходимо обеспечить заданную плотность, прочность, удобоукладываемость с уточненной водопотребностыо смеси. Это может быть осуществлено при использовании математической модели, описывающей поведение системы при изменении входных параметров, характеризующих состав и особенности заполнителя, и наблюдая изменения одного из выходных параметров. Такая математическая модель, поставленная по плану "активного" эксперимента реализована Сапоровской Т.Ю. в диссертации "Исследование конструкционно-теплоизоляционного бетона на основе силикатного гранули рованного заполнителя" [170]. Уравнение регрессии для подбора состава биси-порбетона имеет вид: Ксж -Ьо+ЬХ+Ь2Х2+ЬзХз+Ь2зХ2Хз = 2,44+1,35х]+0,б4х2+0,35хз+0,Зх2хз (МПа), где xj - цементно-водное соотношение (Ц/В), х2 - расход воды, хз - расход бисипора. Анализ литературных данных по влиянию условий твердения на прочность бетона позволил выбрать для получения бетонных блоков с использованием силикатного заполнителя нормальные условия твердения [171,172].
На основании результатов математической модели, теоретических и экспериментальных зависимостей цементно-водного соотношения, доли наполнителя и его свойств, а также существующих расчетных формул для подбора состава легких бетонов наиболее оптимальным составом бисипорбетона можно считать следующее содержание компонентов легкобетонной смеси на 1 м3 бетона: портландцемент (М500) - 410 кг, заполнитель (бисипор) - 0,6 м3, вода - 287 л.
Для повышения реологических свойств, регулирования процессов схватывания и твердения бетонной смеси, увеличения физико-механических показателей легкого бетона в состав вводили поверхностно-активное вещество (ПАВ). В качестве такой добавки использовали разжижитель СЗ, который относится к классу суперпластификаторов и является наиболее распространенным и эффективным пластификатором. Дозировка разжижителя СЗ составляет 2,5 % от массы цемента.
Применение пористых наполнителей в составе бетонных изделий предполагает использование большего количества воды, относительно расчетного, в связи с этим в процессе заполнения формы и во время твердения гранулы могут всплывать, образовывать конгломераты, не равномерно распределятся в объеме изделия. Это может привести к расслаиванию изделия, потери механических, теплофизических и эксплуатационных характеристик материала. Для получения качественных легких бетонов на силикатном гранулированном заполнителе необходимо провести дополнительные исследования по поведению бисипора в бетонной смеси при укладке в форму и во время твердения.
Испытания проводились на модельном блоке размером 250 мм и площа-дью основания 50x50 мм при двух способах заливки: - при свободной заливки в форму легкобетонной смеси, т.е. без специаль ных пригрузов и уплотняющих механических устройств; — при уплотнении бетонного раствора в блоке с помощью виброустановки с частотой колебаний 50 Гц, амплитудой колебаний 0,4 мм и времени уплотнения 3 мин.
Выбор размеров модельного блока обусловлен размерами форм промышленного производства (высота) при условии заполнения стенок (50 мм) пустотного изделия. Через 5 суток блок извлекался из опалубки и разрезался по высоте (h) на 5 образцов (h = 50мм). Каждый модельный блок обозначался индексом Б (бисипор) и номером фракции бисипора, т.е. модельный блок Б1 представляет собой бисипорбетон с фракцией заполнителя от 2,2 до 3,5 мм; модельный блок Б2 представляет собой легкий бетон с фракцией бисипора от 1,25 до 2,2 мм; модельный блок БЗ представляет собой бетон с фракцией зерен от 0,63 до 1,25 мм и т.д. Каждый блок разрезался на 5 образцов по высоте и нумеровался снизу вверх цифрами от 1 до 5.
Выбор технологических параметров изготовления легкого полимербетона
Как видно из полученных данных, снижение количества пластификатора в связующем приводит к увеличению жесткости полимерной матрицы и повышению прочностных показателей. Наибольшее содержание пластификатора позволяет получить эластичный материал, характеризующийся максимальным относительным удлинением для исследуемых составов (160 %), но наименьшими прочностными характеристиками. При этом композицию такого состава трудно переработать методом прессования.
В результате проведенных исследований было установлено необходимое количество пластификатора, позволяющее получить композицию с высокими механическими показателями и низкой плотностью, равно 30 мас.ч., что соот ветствует отношению поливинилхлорида к пластификатору— 10:3.
Теоретические основы подбора состава полимербетона рассматриваются исходя из условий достижения наименьшей плотности и наименьшего расхода синтетического связующего при сохранении высоких физико-механических показателей. На практике это может быть достигнуто путем увеличения количества заполнителя в составе композиции.
В табл. 4.2. представлены свойства выбранной композиции с содержанием пластификатора 30 мас.ч. и состава с более высоким содержанием заполнителя. Таблица 4.2 Свойства легких полимербетонов на основе поливинилхлорида с различным содержанием золы-уноса. Составы композиций Соотношение ПВХ:ПФ 10:3 10:3 Количество модификатора, мае. % 4 4 Количество заполнителя, об. % 60 67 Физико-механические характеристики . Плотность, кг/м3 810 725 Прочность при сжатии, МПа 12 9 Прочности при изгибе, МПа 4,5 3 Ударная прочность, кДж/м 18 14 Водопоглощение, мас.% 24 39
Исследования по подбору состава композиции для получения легкого полимербетона показали возможность создания материала с достаточными физико-механическими характеристиками благодаря варьированию соотношения поливинилхлорида и пластификатора в системе. Также с уменьшением расхода органического связующего и увеличение минеральной составляющей можно добиться снижения плотности и себестоимости изделия при небольших потерях свойств материала.
Следующим этапом в формировании наполненных систем являются технологические параметры получения полимербетона. В настоящее время строительные материалы на основе полившшлхлорида производятся в основном методами экструзии и литья. Материалы, полученные такими способами, содержат большое количество полимерного связующего, существенная часть которого приходится на долю пластификатора. Это приводит к повышению стоимости, а также к увеличению токсичности готового изделия. Недостатком этих методов являе.тся и то, что композиции не могут содержать заполнитель, а только лишь мелкодисперсный наполнитель в количестве не более 30-35 об.%. Наиболее подходящим методом переработки композиционного поливинилхло-ридного материала является прессование композиции с последующей термообработкой. Отличительной особенностью метода является возможность получать изделия с содержанием, как наполнителя, так и заполнителя при небольшом количестве связующего.
Основная характеристика метода прессования . : удельное давление прессования. Особенно важно выбрать такое давление прессования, при котором получается изделие с высокими свойствами при сохранении целостности пористого минерального заполнителя.
Дальнейшие исследования были направлены на определение оптимального давления прессования для получения легких полимербетонных материалов на основе поливинилхлорида. Давление прессования варьировалось от 0,1 МПа (уплотнение руками) до 8,5 МПа. Влияние давление прессования проверялось на следующих показателях исследуемых образцов: плотности, прочности при сжатии и изгибе, водопоглощениц.
