Структурообразование и свойства фибропенобетонов неавтоклавного твердения :Теория и методология рецептурно-технологического регулирования Моргун Любовь Васильевна

Содержание к диссертации

Введение 8

Глава 1. Анализ процессов массопереноса при формировании структу ры пенобетонных смесей 19

1.1 Структурные особенности пенобетонных смесей с позиций механики дисперсных систем

1.2 Влияние свойств частиц твёрдой фазы на седиментационную устойчивость пенобетонных смесей 25

1.3 Влияние свойств жидкой фазы на способность пенобетонных смесей сохранять вовлеченную при перемешивании газовую фазу 31

1.3.1 Анализ явлений, происходящих с компонентами пенобетон- ной смеси при перемешивании 31

1.3.2 Анализ влияния процесса диспергации клинкерных минера лов на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей 37

1.4 Экспериментальные исследования перехода пенобетонных смесей на цементном вяжущем из вязкого состояния в упруго- пластическое 46

1.4.1 Влияние расхода и вида пенообразователя на скорость формирования упруго-пластичных связей в пенобетонной смеси 46

1.4.2 Влияние ПО-ЗНП на кинетику температуры пенобетонной смеси в ходе формирования упруго-пластичных связей между компонентами твердой фазы 53

1.4.3 Влияние минералогического состава вяжущего на особенности формирования упруго-пластичных связей в пенобетонных смесях 56

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 62

Глава 2. Структура и свойства синтетических волокон, как дисперсной арматуры для бетонов 64

2.1 Свойства синтетических волокон 66

2.2 Обоснование выбора полиамидных волокон в качестве дисперсной арматуры для пенобетонов 71

2.3 Общие сведения об адсорбции зернистых дисперсных частиц на поверхности полиамидных волокон 74

2.4 Физико-химические стадии процесса адсорбции зернистых частиц твердой фазы на поверхности полиамидных волокон 77

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 81

Глава 3. Исследование структурообразования фибропенобетонных смесей 83

3.1 Теоретический анализ влияния протяженных поверхностей раз дела фаз на агрегативную устойчивость пеносмесей 83

3.1.1 Влияние воздухововлечения на способность цементно-водных суспензий физически связывать воду 83

3.1.2 Теоретический анализ геометрических моделей пено- и фиб-ропенобетонной смесей 84

3.2 Экспериментальная оценка влияния протяженных поверхностей раздела фаз на способность пенобетонных смесей удерживать вовлеченную при перемешивании газовую фазу. 95

3.3 Особенности влияния протяженных поверхностей раздела фаз на формирование вязких связей в дисперсно-зернистых системах

3.4 Расчет параметров волокнистой структуры в фибропеносмесях 112

3.5 Теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических параметров дисперсной арматуры на особенности перехода пеносмесей из вязкого состояния в упруго-пластическое 115

3.5.1 Влияние длины армирующих волокон на тепловыделение и кинетику пластической прочности твердеющих пеносмесей 115

3.5.2 Научное обоснование расширения диапазона агрегативной устойчивости пеносмесей при дисперсном армировании их волокнами 121

3.5.3 Экспериментальные исследования влияния расхода пенообразователей на кинетику пластической прочности и агрегатив- ную устойчивость фибропенобетонных смесей. 126

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 135

Глава 4. Физические свойства пенобетонов дисперсно армированных полиамидными волокнами 139

4.1 Результаты исследований структуры цементного камня в зоне его контакта с волокнами 140

4.1.1 Влияние вещественной природы волокон на их способность распределяться в бетонной матрице 142

4.1.2 Особенности структуры цементного камня в зоне контакта с фиброй 146

4.2 Результаты исследований гидрофизических свойств фибропено- бетонов 156

4.2.1 Влияние дисперсного армирования на параметры общей пористости пенобетонов 15 8

4.2.2 Исследование параметров дифференциальной и интегральной пористости пенобетонов в зависимости от насыщения смесей дисперсной арматурой 160

4.3 Экспериментальная оценка влияния полиамидной дисперсной арматуры на проницаемость пенобетонов 173

4.3.1 Оценка зависимости сорбционного увлажнения пенобетона от количества дисперсной арматуры 173

4.3.2 Влияние расхода дисперсной арматуры на паропроницаемость пенобетонов 177

4.3.3 Влияние добавок-электролитов на поровую структуру и физико-механические свойства пенобетонов 188

4.4 Теоретическая и экспериментальная оценка влияния полиамидной дисперсной арматуры на теплопроводность пенобетонов 197

Выводы по главе 4 207

Глава 5. Механические свойства фибропенобетонов 211

5.1 Теоретическое обоснование повышения прочности пенобетонов при дисперсном армировании их волокнами 211

5.2 Экспериментальные исследования влияния параметров дисперсного армирования на энергоёмкость разрушения и модуль де формаций пенобетонов 215

5.2.1 Влияние дисперсного армирования на модуль упругости и растяжимость пенобетонов 215

5.2.2 Оценка влияния дисперсного армирования на работу разрушения пенобетона при изгибе 220

5.3 Исследование влияния параметров дисперсного армирования на прочность и трещиностойкость фибропенобетона 225

5.4 Влияние дисперсного армирования на усадочные деформации в пенобетонах неавтоклавного твердения 238

Выводы по главе 5 246

Глава 6. Основные результаты внедрения технологии фибропенобетона 248

6.1 Методика проектирования состава фибропенобетона 248

6.1.1 Общие положения 248

6.1.2 Методики определения пластической прочности смесей и це- лесообразного расхода пенообразователя 249

6.1.3 Методика определения равномерности распределения фибры по объёму пенобетонной смеси 253

6.1.4 Методика проектирования и подбора состава фибропенобето- на 254

6.1.5 Технологические основы изготовления изделий из фибропе- нобетона 258

6.2 Технико-экономическая эффективность применения в строи тельстве фибропенобетона неавтоклавного твердения 261

Выводы по главе 6 272

Общие выводы 274

Библиографический список 279

Приложения 304

1 Акт о внедрении от 02.10.2001 г. 305

2 Заключение о теплопроводности стенового пустотелого фиб-ропенобетонного блока от 30.12.2002 г. 307

3 Патент на изобретение №2206544 "Сырьевая смесь для изготовления ячеистых бетонов и способ её приготовления", зарегистрирован Роспатентом 20.06.2003 г.

4 Протокол опытных испытаний образца фибропенобетона, из готовленного по ТУ 5767-033-02069119-2003 от 16.07.2003 г 316

5 Решение научно-технического Совета министерства строительства, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства Ростовской области от 22.09.2003 г. 318

6 Заключение №2355.2003 от 15.12.2003 г. по результатам рассмотрения технических условий на изделия из фибропенобетона ТУ 5767-033-02069119-2003. 321

7 Акт по осмотру и оценке качества работ, опытного участка наружных ограждающих конструкции, стоящегося жилого дома секции 2-Г в квартале "Миллениум" от 16.01.2004 г. 324

8 Заключение о сопротивлении теплопередаче фрагмента наружной стены, состоящей из кладки в Vi кирпича и фибропе-нобетонных блоков плотностью 386 кг/м" (10.02.2004) 326

9 Диплом VI строительно-архитектурного форума "Южная столица" (11... 13.02.2003 г.) 327

10 Диплом международной профессиональной выставки "Промышленность строительных материалов" (02...04.04.2003 г.) 329

11 Протокол испытания теплопроводности фибропенобетона, производимого ЗАО "ФИПЕБ" (г.Ростов-на-Дону) от 16.04.2004 г. 330

12 Отзыв ООО "МИС" о практике применения в строительстве изделий из фибропенобетона (от 06.11.2004 г.) 333

13 Отзыв ООО Строительной компании "ГенСтрой" о практике применения изделий из фибропенобетона 334

14 Отзыв ООО проектно-конструкторского бюро "ЮГ РУСИ" о применении блоков из фибропенобетона (№319 от 12.11.2004 г.) 335

15 Диплом 10-й специализированной выставки "Строим наш дом" за разработку и внедрение в производство технологии фибропенобетона. 336 

Введение к работе

Важнейшей задачей современного строительства является повышение эффективности, качества, надежности и долговечности конструкций и сооружений при максимально возможном снижении их материалоёмкости и капитальных затрат. Использование в строительстве высокоэффективных теплоизоляционных материалов позволяет создавать лёгкие ограждающие конструкции, отвечающие современным требованиям архитектуры, градостроительства, комфортности жилья, сокращать материалоёмкость и общестроительные затраты на возведение зданий.

В этой связи актуальной проблемой является разработка научных основ структурообразования и совершенствования технологии пенобетонов неавтоклавного твердения.

В настоящее время к технологии ячеистых бетонов обращено пристальное внимание ученых и практиков. Понимание ограниченности материальных ресурсов на планете Земля привело к тому, что развитые страны ещё в первой половине XX века приняли жесткие нормативы, регламентирующие размеры тепловых выбросов в окружающую среду. В России новые требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций зданий вступили в действие с 01.01.2000 г. (СНиП П-3-79 "Строительная теплотехника"). Необходимость соблюдения этих требований вынуждает строителей применять при возведении зданий новые строительные материалы и технологии. Таким образом, государство с одной стороны резко ограничивает негативное влияние результатов жизнедеятельности населения на экологическое равновесие окружающей среды, а с другой - законодательно создает условия для снижения расходов энергии на поддержание комфортного теплового режима в зданиях (отопление и кондиционирование).

По мнению многих специалистов, оптимальным конструктивным решением противоречивой проблемы улучшения теплозащитных свойств и увеличения долговечности ограждающих конструкций зданий являются одно- или двухслойные (в сочетании с кирпичем) стены из ячеистых бетонов плотностью 400...600 кг/м". В условиях постоянного и быстрого роста цен на энергоносители особой привлекательностью обладают изделия для ограждающих конструкций из ячеистых бетонов неавтоклавного твердения. Но независимо от технологии приготовления смесей практически все разновидности пенобетонов естественного твердения характеризуются интенсивным развитием усадочных деформаций в период набора прочности. Причем, чем меньше плотность, тем выше усадочная деформативность. Усадка пенобетонов плотностью 300...400 кг/м3 может достигать 7 мм/м. Столь высокие значения усадочных деформаций налагают весьма жесткие ограничения на области применения изделий из пенобетонов неавтоклавного твердения и эффективность их использования в строительстве.

При дисперсном армировании пенобетонов полиамидными волокнами возможно снижение усадочных деформаций. А это значит, что изделия из дисперсно армированных пенобетонов при низкой энергоёмкости их изготовления, должны отличаться улучшенными эксплуатационными свойствами по сравнению с традиционно применяемыми в строительстве пеноматериалами. Поэтому результаты исследований структурообразования и свойств пенобетонов неавтоклавного твердения дисперсно армированных синтетическими волокнами должны быть положены в основу направленного совершенствования технологии их производства, и эффективно служить решению важнейших задач современного строительства.

В связи с изложенным автором выполнен обширный комплекс исследований в области направленной организации структуры пенобетонных смесей с целью получения заданных физико-механических свойств, разработаны научно обоснованные технологические принципы получения таких материалов широкого спектра назначения.

В основу работы положена гипотеза о том, что повышение агрегативной устойчивости смесей в период преобладания вязких связей между компонентами способствует уменьшению количества дефектов структуры в затвердевших бетонах, что достигается введением в зернистую дисперсную систему — пенобетонную смесь — протяженных поверхностей раздела фаз в виде синтетических волокон (фибры).

Целью работы является развитие научных представлений о закономерностях формирования структуры фибропенобетонов и разработка теоретических и методологических принципов рецептурно-технологического регулирования их свойств.

Для достижения поставленной цели:

- изучались особенности массопереноса при формировании вязкой и упруго-пластичной структур пенобетонных смесей;

- выявлен эффективный вид волокнистых материалов, пригодный для применения в технологии пенобетонов;

- установлены характер и мера влияния синтетической дисперсной арматуры на особенности массопереноса и процессы структурообразования в пенобетонных смесях;

- исследованы основные физико-механические и деформативные свойства фибропенобетонов;

- разработаны технологические способы и практические рекомендации по управлению агрегативной устойчивостью смесей и физико-механическими свойствами затвердевших бетонов;

- разработана научно обоснованная методика проектирования состава пенобетонных смесей;

- осуществлена апробация и промышленное внедрение результатов исследований.

Научная новизна.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние размеров длинноволокнистых частиц на скорость формирования кластерных агрегатов в газонаполненных дисперсных системах.

Установлена зависимость интервала водосодержания агрегативно устойчивых дисперсных систем от степени насыщения длинноволокнистыми дисперсными частицами. Сформулированы основные технологические принципы повышения агрегативной устойчивости пенобетонных смесей за счет дисперсного армирования волокнами.

Научно обосновано и экспериментально установлено влияние длины армирующих волокон на кинетику тепловыделения и скорость формирования упруго-пластичных связей между компонентами твердой фазы. Сформулированы принципы назначения допустимой длины волокон в зависимости от высоты формуемого массива.

Установлены закономерности механизма повышения плотности цементного камня в зоне его контакта с длинноволокнистыми дисперсными частицами с учетом неравномерности распределения плотности энергий на границах раздела фаз.

Развиты теоретические положения о структурных особенностях газонаполненных смесей, которые впервые позволили:

- классифицировать пенобетонные смеси, как суспензии композиционного типа, в которых плотность дисперсных фаз различается более чем на два математических порядка, а твердая и газовая фазы способны менять величину дисперсности в период, когда агрегативная устойчивость компонентов обеспечивается только вязкими силами;

- выявить новые аспекты закономерностей массопереноса, обеспечивающие возможность формирования и сохранения пленок ПАВ на границах раздела "газ - жидкость" со свойствами жидких кристаллов;

- научно обосновать зависимость агрегативной устойчивости структуры и свойств бетона от кинетики пластической прочности смесей; установить критерии выбора вещественной природы дисперсных волокнистых частиц с позиций эффективности их применения в технологии пенобетонов;

- предложить методику расчета целесообразного расхода дисперсной арматуры с учетом её геометрических параметров и водосодержания смесей.

Научно обоснована и экспериментально подтверждена эффективность управления капиллярной пористостью пенобетонобетонов путем дисперсного армирования полиамидными волокнами. Установлено влияние дисперсного армирования на способность пенобетона сорбировать и транспортировать парообразную влагу.

Теоретически обосновано повышение прочности пенобетонов при дисперсном армировании за счет диссипации энергии от внешней нагрузки. Получен материал, превосходящий по своим показателям численные значения равноплотных аналогов.

Определены методологические принципы рецептурно технологического регулирования процессов производства фибропенобетонов по критериям энергоемкости и качества выпускаемой продукции.

Научная новизна исследований подтверждена патентами РФ на изобретения.

На защиту выносятся:

- методологические принципы управления структурообразованием газонаполненных дисперсно-зернистых систем с помощью протяженных поверхностей раздела фаз;

- теоретическое обоснование и общие закономерности влияния протяженных поверхностей раздела фаз - дисперсной арматуры на меру агрегативной устойчивости пенобетонных смесей и физико-механические свойства затвердевших бетонов;

- теоретические разработки и практические данные по проблеме структурообразования пенобетонных смесей с позиций механики дисперсных систем, коллоидной и физической химии, физики растворов;

- научные и экспериментальные результаты комплексных исследований вязко-пластических, структурных и физико-механических свойств пено- и фибропенобетонов;

- научно-обоснованная методика проектирования составов пено- и фибропенобетона;

- результаты внедрения технологии фибропенобетона в промышленность стройиндустрии и практику строительства.

Практическая значимость работы состоит в разработке реализуемых на практике методологических основ энергосберегающей технологии фибропенобетона неавтоклавного твердения, характеризующегося, по сравнению с традиционными видами ячеистых бетонов, комплексным улучшением физико-механических свойств, обеспечивающих снижение материалоёмкости строительства.

Предложена научно обоснованная, достоверная и удобная для технологической практики методика проектирования состава пено- и фибропенобетона. Результаты исследований использованы при разработке и подготовке нормативных документов по технологии изготовления фибропенобетона неавтоклавного твердения и изделий из него.

На основе представленных в диссертации результатов исследований решены прикладные задачи повышения качества строительной продукции, комплексного снижения энерго- и трудозатрат на этапах:

- изготовления изделий;

- возведения из них строительных конструкций;

- эксплуатации конструкций в составе строительных объектов.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы включены в Государственную программу "Строительство доступного жилья", комплексную целевую программу развития производства строительных материалов в Ростовской области на 2004...2008 г. Защищаемая технология прошла производственную проверку в ЗАО "ФИПЕБ". Используется в соответствии с лицензионным договором №15139/02, зарегистрированном в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (Роспатенте). ЗАО "ФИПЕБ" осуществляет серийное изготовление стеновых блоков, теплоэффективных перемычек, галтелей, плит утепления фасадов и других изделий.

Результаты исследований включены в нормативные документы:

- ТУ 5830-017-02069111-96 "Блоки из фибропенобетона конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные", Ростов-на-Дону, 1996.-20 с;

- ТУ 5767-033-02069119-2003 "Изделия из фибропенобетона", Ростов-на-Дону, 2003 г. - 17 с;

- ТУ 5828-035-02069119-2004 "Перемычки из фибропеножелезобетона для жилых и общественных зданий", Ростов-на-Дону, 2004 г. - 37 с.

Разработаны:

- "Рекомендации по изготовлению изделий из неавтоклавного фибропенобетона для сельского строительства", Ростов-на-Дону, СевкавЗНИИЭПсельстрой, 1984.-24 6;

- "Рекомендации по изготовлению и применению фибропенобетона неавтоклавного твердения средней плотностью 400...600 кг/м3, Северо-Кавказский научный центр высшей школы, Ростов-на-Дону, 1993.-18 с;

- Техническая документация для изготовления пенобетонов неавтоклавного твердения в АО "Дон", г. Усть-Донецк Ростовской области, 1995. - 38 с;

- Техническая документация по технологии монолитного фибропенобетона на нетрадиционных заполнителях для АО "Дон", г. Усть-Донецк Ростовской области, 1997. -35 с;

- Технологический регламент на производство блоков из фибропенобетона конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных", Ростов-на-Дону, 1996. - 19 с;

- Технологический регламент на производство стеновых изделий из фибропенобетона для АО "Строй-Три", г. Самара, 1997. - 21 с;

- Технологический регламент на производство фибропенобетона плотностью 700...800 кг/м3 для ООО МПФ "ТЕМП", г. Ростов-на-Дону, 2001.-19 с;

- Технологический регламент на производство изделий из фибропенобетона для ЗАО "ФИПЕБ", г. Ростов-на-Дону, 2003. - 21 с.

Издано учебное пособие "Физико-химические основы механики композиционных материалов", Ростов-на-Дону, РГАС, 1994, 74 с.

Вклад автора в разработку проблемы состоит в научной и методической постановке задач исследований, создании геометрических моделей пено- и фибропенобетона, развитии научных представлений о закономерностях структурообразования пено- и фибропенобетонных смесей, разработке методики оценки равномерного распределения дисперсной арматуры по объёму пенобетонной смеси, создании нового метода проектирования состава пенобетона, выполнении экспериментальных исследований и получении новых научных и практических результатов, внедрении в производство научно обоснованных технических и технологических рекомендаций.

Достоверность результатов работы обеспечена применением достижений фундаментальных наук, для управления процессами формирования структуры пено- и фибропенобетонов, использованием современных методов изучения структурообразования и структуры композиционных материалов. При выполнении экспериментальных исследований использовалось аттестованное и поверенное оборудование, соблюдались стандарты на методы испытаний. Доказательность ряда научных положений подтверждена независимыми результатами исследований. Основные численные результаты и количественные закономерности получили вероятностную оценку на основании статистической обработки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технических конференциях Ленинградского инженерно-строительного института в 1979-1983 гг.;

- президиуме научно-технического центра сельскохозяйственного строительства Эстонской ССР, г. Таллинн, 1982 г.;

- VI областной научно-технической конференции "Использование отходов производства в строительной индустрии", г. Ростов-на-Дону, 1984 г.;

- научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета с 1981 по 2004 гг.;

- республиканском научно-техническом совещании по фибробетону, г. Рига, 1988 г.;

- всесоюзной научно-методической конференции "Проблемы подготовки и переподготовки специалистов в области создания изделий из композиционных материалов", г. Ворошиловград, 1990 г.;

- региональном научно-техническом семинаре по повышению коррозионной стойкости материалов, г. Уфа, 1990 г.;

- международном семинаре "Физико-химические и технологические особенности получения малоцементных строительных материалов и конструкций", г. Одесса, 1992 г.;

- VII Международном конгрессе "Применение полимеров в бетоне", Москва, 1993 г.;

- III международной конференции "Экология города", г. Ростов-на-Дону, 1994 г.;

- НТК "Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды", г. Самара, 2000 г.;

- МНПК "Бетон и железобетон в III тысячелетии", г. Ростов-на-Дону, 2000, 2002 и 2004 гг.;

- 55-й МНТК "Актуальные проблемы современного строительства", СПбГАСУ, С-Петербург, 2001 г.;

- международной конференции по фибробетону в г. Брауншвайг (ФРГ), 2002 г.;

- научно-техническом семинаре "Технология пенобетона" кафедр "Строительные материалы" и "Инженерная химия" СПбГУПС, г. С-Петербург, 17.10.2003 г.;

- МНПК Российской академии естествознания "Современные наукоёмкие технологии. Технологии - 2004", Турция, Анталия, 2004 г;

- межотраслевой НІЖ "Актуальные проблемы архитектурно-строительного комплекса", Воронеж, 2004;

- VIII академических чтениях РААСН "Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения", г. Самара, 2004 г.;

- на 1-й международной специализированной выставке "ЖКХ России -2004", г. Санкт-Петербург, 9-12 ноября 2004 г.;

- на X специализированной выставке "Строим наш дом", г. Ростов-на-Дону. Диплом "Гран-При" участника конкурса "Новые прогрессивные строительные материалы и технологии в строительстве", 3-5 ноября 2004 г.;

- на научно-практической отчетной конференции-выставке "Научно-технические инновации в строительстве", г. Москва, МГСУ — Спецстрой РФ, 7-Ю декабря 2004 г.

Публикации. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 115 работах, в том числе 1 учебном пособии, 1 справочнике, 3 патентах на изобретения, 7 патентах на полезные модели, 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 265 наименований и 15 приложений. Диссертация изложена на 336 страницах, включает 82 рисунка и 52 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность чл. корр. РААСН, д.т.н., проф. [Айрапетову Г.А., д.х.н., проф. Мальцеву В.Т., д.т.н. Несветаеву Г.В., д.т.н., проф. Шмитько Е.И. - за научные консультации; д.т.н., профессору Иллиополову С.К., к.т.н. Моргуну В.Н., инженерам Бацман М.И., Богатиной А.Ю., Ильиных В.А., Крыловой О.И., Нагорскому В.В., Смирновой П.В., Соханеву В.Г., Тищенко А.А. - за оказание помощи в проведении экспериментальных работ и производственном внедрении результатов исследований.