Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Критический анализ современного состояния производства облегченных гипсовых изделии 9
1,1. Значение и области применения гипсовых материалов и изделий 9
1-2- Зарубежный и отечественный опыт производства легких гипсовых изделий 10
1,3. Обоснование выбора способа получения легких гипсо бетонов 16
ГЛАВА 2. Цель, задачи и общая методология исследовании 21
2.1, Цель и задачи исследований- Рабочая гипотеза 21
2.2. Общая методология исследований 25
ГЛАВА 3. Некоторые особенности технологии самоуплотняющихся масс 27
3.1. Характеристика исходных сырьевых материалов 27
3.2. Теоретические предпосылки получения гипсобетонных изделий из самоуплотняющихся масс методом электропрогрева 31
3.3. Расчет состава гипсобетона с полистирольным заполнителем 40
3-4- Исследование формовочных свойств гипсополистирольных масс 43
3.5, Механизм фильтрационного влагопереноса самоуплотняющихся масс в замкнутом перфорированном объеме при электропрогреве 46
3.6, Математическое моделирование механизма уплотнения и фильтрационного влагопереноса самоуплотняющихся масс 49
3.7. Исследования по выбору оптимальных параметров получения гипсобетона из самоуплотняющихся масс при электропрогреве 64
3.8. Изучение возможности получения слоистого гипсобетона типа "СЭНДВИЧ" S5
3.9. ВЬЕЯВЛЄНИЄ технологической возможности повышения прочности гипсобетона на растяжение путем армирования его волокном 88
ЗЛО, Влияние теплосилового воздействия на структуру гипсового камня и физико-механические свойства гипсобетона л
ГЛАВА 4. Результаты производственных исштании и технико-экономические расчеты разработанной технологии ,108
4.1, Производственная проверка исследований Ї03
4.2, Технологическая схема производства Н4
4.3, Технико-экономическое обоснование производства И6
Общие выводы 122
Литература 125
Приложения 131
- Обоснование выбора способа получения легких гипсо бетонов
- Характеристика исходных сырьевых материалов
- Изучение возможности получения слоистого гипсобетона типа "СЭНДВИЧ"
- Производственная проверка исследований
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I935 гг. и на период до 1990 года предусматривается увеличение выпуска эффективных строительных материалов, обеспечивающих снижение трудоемкости и стоимости строительства, уменьшение массы зданий и сооружений, повышение их теплозащитных свойств, повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, ( I ).
Значительный резерв в решении поставленных задач - расширение производства и внедрение-в строительство индустриальных изделий и конструкций на основе гипсовых вяжущих материалов. В современном строительстве среди неорганических вяжущих гипсовые вяжущие занимают довольно скромное место - после цемента и извести.
Однако в последнее время благодаря простоте технологии, пониженным тепло- и энергозатратам и другим преимуществам их значимость возрасла, и сейчас они завоевывают все большую популярность в строительстве. Изделия, выпускаемые на основе гипсовых вяжущих, по сравнению с другими стеновыми изделиями отличаются гигиеничностью, сравнительно небольшой средней плотностью, огнестойкостью, архитектурной выразительностью, высокими технико-экономическими показателями и небольшими топливно-энергетическими затратами.
В данной работе с той или иной степенью детализации исследована возможность получения легкого гипсобетона на полистироле.
Из обширных работ по производству легкого гипсобетона (8, 9, 12) хорошо известно, что вода затворения ухудшает основные свойства изделий, образуя развитую сеть капиллярных пор, ослабляющих рабочее сечение изделия и вызывающих концентрацию напряжений в отдельных микрообъемах материала. Поэтому сникение количества воды затворения весьма важно для получения изделий с максимальной прочностью.
Сейчас эту задачу предполагается решить Б двух аспектах: I/ сохранить заданную подвижность /удобоукладываемость/ смеси при одновременном снижении влажности в результате введения пластификаторов. Однако существенно снизить рабочую влажность не удается;
2/ использовать такую технологию, которая позволяет применять массы менее пластичной консистенции, что возможно при работе со смесями с низкой влажностью- В настоящее время получают гипсовые смеси такой консистенции, но нет еще технологии для их переработки.
Целью диссертации является создание энергосберегающей технологии легкого гипсобетона с улучшенными физико-техническими свойствами и ускоренной сушкой.
Автор защищает:
- теоретические предпосылки и результаты исследований возможности разработки технологии гипсобетона на полистироле путем снижения влагосодержания смеси на этапе формюванкя," сокращения сроков сушки бетона;
- результаты экспериментальных исследований по определению реологических свойств формовочных масс;
- обоснование метода теплосилового воздействия при электропрогреве самоуплотняющихся масс;
- физическую сущность уплотнения масс на полистироле при фильтрации формовочной влаги под : ".. .действием избыточного давления, развиваемого самоуплотняющимися массами в замкнутом перфорированном объеме;
- результаты выявления рациональных режимов электропрогрева и комплексного изучения технологических параметров изготовления гипсобетона;
- принципиальную технологическую возможность создания слоистого гип сополистиролбетона типа "СЭНДВИЧ";
- созданную математическую модель механизма уплотнения и фильтрационного влагопереноса при самоуплотнении масс при различных энергоносителях и методах воздействия на суесь;
- технологическую особенность повышения прочности гипсобетона на растяжение путем армирования волокнами минеральной ваты;
- практические рекомендации по организации производства гипсопо-листиролбетона и технико-экономическое обоснование технологии.
Научная новизна работы. Предложена гипотеза о возможности получения гипсополистиролбетона по энергосберегающей технологии, согласно которой теплосиловое воздействие, развиваемое в замкнутом перфорированном объеме при прогреве самоуплотняющихся масс доведет количество воды затворения в системе механическим отжа-тием до значений, близких к теоретически необходимым для гидратации вяжущего, создав более прочную структуру гипсового камня и ускорив сушку бетона.
Исследованы физические явления, протекающие в свещеуложенной самоуплотняющейся массе при ее форсированном разогреве в жестких перфорированных формах.
Предложена модель механизма фильтрационного влагопереноса и уплотнения при электропрогреве самоуплотняющихся масс.
Сформулирован ряд положений и дана микрокартина движения жидкости при сферически-радиальном и одностороннем отводе влаги из формы.
Впервые решена задача о влагопереносе сквозь пористые тела в ходе непрерывного изменения усилий давления и изменения пористости системы.
Исследована возможность получения слоистого гипсобетона типа "СЭНДВИЧ".
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность обжатия армирующего элемента гипсовой матрицей.
Практическое значение работы. Впервые в отечественной и зарубежной практике разработан энергосберегающий способ получения легкого гипсобетона повышенной прочности путем теплосилового воздействия на гипсовое вяжущее, развиваемое при электропрогреве самоуплотняющихся масс на полистироле.
Создана математическая копия" фильтрационного влагопереноса, позволяющая проводить диалог с нею, получая строгие и относительно полные ответы.
Рекомендуемые технологические параметры производства гипсобетона (влажность, составы, тактика электропрогрева, режимы под-вспенивания полистирола и другие) дадут возможность готовить бетон высокого качества и с малыми энергозатратами.
Способ даст возможность получать слоистые бетоны и бетоны с повышенной прочностью на растяжение, тая необходимые строительству.
Опытно-промышленное опробование технологии выявила возможность получения значительного экономического эффекта. Расчетный экономический эффект при выпуске гипсополистиролбетона по предлагаемой технологии в объеме 100 тыс, м2 в год взамен перегородочных гипсоперлитовых изделий составит 349 500 рублей.
Теоретические и экспериментальные разработки осуществлялись в МИСИ им. В,В, Куйбышева, ВНИИСтройполимер, ШНХ и ГП им, И.М, Губкина и других организациях. Опытно-промышленное опробование происходило на Московском заводе "Стройдеталь-3" Главмосремонта.
Диссертация изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 14 таблиц, состоит из 4-х глав, выводов, списка литературы из 80 источников, приложений.
Результаты выполненных исследований защищены 3 авторскими свидетельствами СССР, освещены в статье и доложены на научно-теоретической конференции МИСИ им. В,В. Куйбышева.
Обоснование выбора способа получения легких гипсо бетонов
Исследования многочисленных авторов и производственный опыт показали, что современные методы создания облегченных гипсовых изделий, обеспечивая возможность получения удовлетворительных физико-механических показателей, одновременно вызывают в той или иной мере неблагоприятные изменения в их микро-и макроструктуре, проявляющиеся в ухудшении капиллярно-пористого строения затвердевшего гипса и снижении его прочностных показателей.
Одной из основных причин часто наблюдаемого ухудшения качества легких гипсобетонов является повышенное содержание воды затво-рения в формовочных массах.
На протяжении многих десятилетий наука о бетонах пытается решить задачу, состоящую в том, чтобы путем удаления излишков вода, добавляемой в бетонную смесь Б целях придания ей необходимой текучести (подвижности), максимально повысить прочность изделий.
В числе мер, позволяющих существенно ограничить количество воды затворения и, в связи с этим, значительно уменьшить различ -17" ные дефекты структуры, может быть искусственное отжатие воды из
формовочных масс. Однако уплотнение механическим прессованием гипсового теста. Л наполненного легким заполнителем затруднительно. Если в качестве заполнителя принять хрупкий материал (перлит, керамзит и т.п.), то давление на массу вызовет его разрушение. При использовании же пенополистирола, опилок и т.п. заполнителей произойдет их смятие и после снятия прессующего давления - некоторое восстановление первоначального объема заполнителей (упругое последействие) и соответственно деструкция гипсового камня.
Таким образом, прессование и прокат гипсовых масс на легких пористых заполнителях неприемлемо, так как их зерна, составляя основу формуемой массы, не позволяют уплотнить мембраны, обеспечивающие прочность системы.
Однако идея механического отжатия части влаги из формуемой массы с одновременным повышением плотности гипсового камня взята за основу.
Что касается легкого заполнителя, то свой выбор мы остановили на полистироле из следующих соображений: во-первых, он легок ( Уо =20-40 кг/м3) и во-вторых, имеет низкое водопоглащение -около 1% за 12 часов и полное отсутствие набухаемости.
По сравнению с другими видами заполнителей, например, опилками, полистирол отличается низкой удельной поверхностью (около 80-90 см/г), что предопределяет возможность получить гипсовое изделие с низкой средней плотностью.
Действительно, если рассмотреть частицу опилок, которая имеет неправильную форму, то можно визуально заметить сильно развитую поверхность, а если учесть "микрошероховатость", т-е. мельчайшие выступы, трещины и углубления, создающие микрорельеф, то можно утверждать, что истинная поверхность частицы значительно больше кажущейся геометрической поверхности.
Поэтому невозможно изготовить изделия с низкой средней плотностью, используя опилки, так как их развитая поверхность требует повышенного содержания вяжущего, которое необходимо для создания прослойки вокруг каздого зерна. Таким образом, полистирол с этой точки зрения выгодна, так как имеет правильную сферическую форму, довольно гладкую поверхность и соответственно обладает минимальной удельной поверхностью.
Следовательно, для создания одной и той не подвижности смеси, необходимой для формования изделии в случае применения полистирола, потребуется меньше минерального компонента и воды, нежели на опилках или им подобных заполнителях.
При. нагрузках. в бетонахт на легких заполнителях давление передается на оболочки, работающие в этом случае как своды. Прочность такого свода зависит не только от прочности собственно материала свода, то есть прочности каркаса, но и от дефектности поверхностного слоя, повторяющего конфигурацию заполнителя- Этот слой при работе свода является нижней нагруженной растянутой зоной, в обыч-ной железобетонной арке он армируется и в значительной мере определяет ее несущую способность. Повышенная плотность и прочность прилегающего к заполнителю слоя материала должна, таким образом, обеспечивать высокую прочность всему каркасу в целом. При этом чем ниже средняя плотность материала, тем ощутимее проявляется это воздействие. Исходя из этого, характер поверхности заполнителя должен стать серьезным критерием качества легкого гипсобетона.
Форма заполнителя также существенно влияет на прочность материала. Связано это во-первых, с тек, что продолговатый заполнитель формирует вокруг себя большой пролет свода, а, следовательно, меньшую несущую способность отдельного элемента. Во-вторых, продол - 19-говатый заполнитель (например, частица опилок) образует форму свода с остроконечными углами, являющимися концентраторами напряжений, в результате из них начинается развитие трещин. Сферический заполнитель (например» пенополистирол) способствует образованию и сферических арок, несущая способность которых превышает несущую способность других конфигураций арок.
Таким образом, при выборе легкого заполнителя нужно исходить из двух параметров: удельной поверхности и геометрической формы зерен. Первый фактор определяет расход вяжущего, необходимого для создания монолитного каркаса, второй - среднюю плотность изделий.
Исходя из вышеизложенного следует, что для получения эффективных легких гипсобетонов необходимо готовить его на полистироле с принудительным выжиманием влаги из формовочных масс.
В исследованиях по получению гипсобетона на полистироле до сих пор не был использован эффект заполнителя - вспенивающая сила. Введение окончательно вспененного полистирола в формуемые массы превращало активный заполнитель в инертный, то есть впустую расходовалась его потенциальная энергия.
Характеристика исходных сырьевых материалов
В качестве замедлителя схватывания использовали кератино вый замедлитель, представляющий собой порошок, полученный путем обработки рогов и копыт каустической содой. Состав замедлителя: 70-80 рога и 30-20% - ная сода (по массе).
Заполнителем в легком гипсобетоне приняты мелкие фракции вспенивающегося полистирола ПСВ, фракции № 5 по ОСТ 6-05-202-73, выпускаемого Горловскиы производственным объединением "Стирол". Эти фракции не используют при производстве порапластов из-за низкого коэффициента вспенивания и они являются промышлеиными отсевами.
Предварительное вспенивание гранул полистирола проводили в кипящей воде. Оптимальное время подвспенивания диктовалось получением изделий с требуемой средней плотностью и максимальной прочностью.
Теоретические предпосылки получения гипсобетонных изделий из самоуплотняющихся масс методом электропрогрева.
Самоуплотнение гипсобетонных масс на полистироле под действием электрического тока - сложный процесс, который в технической литературе еще не освещен. В связи с этим возникла необходимость рассмотреть ряд теоретических вопросов с позиции формирования структуры гипсового камня под действием теплосиловой обработки и воздействия электрического тока.
Для того, чтобы изучить влияние этих факторов на свойства гипсового камня рассмотрим каждый из них в отдельности.
Сущность способа самоуплотняющихся масс заключается в том, что в процессе разогрева смеси в замкнутом перфорированном объеме равномерно распределенный в ней полистирол вспенивается при температуре более 80С, создавая избыточное давление в форме, под влиянием которого частицы твердой фазы сближаются и из гипсового теста вытесняется слабо связанная вода. В результате этого смесь уплотняется, повторяя конфигурацию занятого ею объема.
Способность самоуплотняющихся масс равномерно распределяться внутри формы обусловливается сохранением пластических свойств смеси.
Мембраны гипсового изделия, полученного по литьевой технологии испещрены капиллярными порами, причем общая пористость гипсового камня составляет 45-50%, Эта особенность структуры наряду с преобладанием в ней контактов коагуляцнонного типа обусловливает низкую прочность, а также водо- и морозостойкость изделий. Основной причиной формирования повышенной пористости в структуре гипсового камня при литьевой технологии является избыток воды затворения, необходимой для удобоукладываемости смеси.
Изучение возможности получения слоистого гипсобетона типа "СЭНДВИЧ"
В некоторых случаях для наружных стен предпочтение отдается трехслойным панелям со средним [ утепляющим слоем, обладающим минимальной плотностью. Сердцевина конструкции может обладать минимальной жесткостью и прочностью. Ее работа сводится только к поддерживанию наружных жестких слоев.
Способ самоуплотнения позволяет получить различные виды изделий, которые по характеру работы пенополистирола можно подразделить на два типа. В одном из них пенополистирол выполняет тепло- и звукоизоляционные функции; в другом, кроме того, служит как конструкционный материал.
В работе изучались принципиальные возможности получения гипсобетона типа "СЭНДВИЧ" следующих разновидностей: нижний и верхний слои наполненные полистиролом; эти же слои из гипсового раствора, (рис. 3.19).
Суть способа изготовления изделий состоит в следующем. На перфорированное днище заливается слой раствора (с полистиролом или без), затем засыпается слой подвспененного полистирола и сверху опять заливается слой раствора, Форма закрывается крышкой и масса подвергается электропрогреву через металлические электроды, расположенные на противоположных сторонах формы. При температуре выше 80С полистирол вспенивается и осуществляется приштамповывание слоев друг к другу.
При уплотнении на стыке двух слоев создается пременнное поле давлений, образующееся из-за различия степени вспенивания различных фракций полистирола. Это обстоятельство позволяет создать развитую удельную поверхность, способствующую прочному сцеплению и хорошей совместной работе монолита. Рельефное сочетание двух слоев при таком уплотнении видно на рис. 3.20. При этом наб-любается проникновение в пенопласт гипсового раствора по той причине, что при вспенивании полистирола происходит втапливание его в гипсовый раствор и нагнетание гипсового молока в слой полистирола. Таким образом создается переходной слой, способствующий лучшей работе изделия.
В слоистых изделиях пенопластовый средний слой помимо теплоизоляции обеспечивает восприятие сдвигающих усилий при работе материала на изгиб. Для получения необходимой прочности и жесткости среднего слоя использовали полистирол более крупных фракций (1-2 мм). Толщину среднего слоя необходимо назначать исходя из теплотехнического и статического расчетов, а также из конструктивных требований.
Состав исследуемых смесей выбирали с учетом возможности получения гипсобетона со средней плотностью 600 кг/м3 при влажное -ти масс 50%. Смеси готовили в лопастной мешалке с горизонтальным валом. Полистирол подвспенивали в течение 10 минут в водяной бане и слегка дав стечь воде укладывали в форму. При этом влажность его составляла 105%. Установлено, что время вспучивания полистирола в смеси составляет 30 мин., продолжительность фильтрации воды 15 минут. За это время из смеси отжалось до 60% воды затворения.
В варианте изготовления изделий с введением полистирола в смеси поверхностных слоев получили материал с плотностью 400 кг/м3.
Свойства материала типа "СЭНДВИЧ" представлены на рис. 3.21.
Слоистые системы по сравнению с однослойными позволяют значительно облегчить изделия. Их" легкость обеспечит удобство монтажа. Это создает перспективы применения трехслойных плит при ремонтных работах.
Таким образом из самоуплотняющихся масс получены изделия с высокой несущей способностью и имеющие прочные наружные слои, которые работают совместно с малопрочным слоем вплоть до разрушения.
Производственная проверка исследований
Производственная проверка разработанной технологии гипсо-полистирольных изделий из самоуплотняющихся масс осуществлялась на заводе "Стройдеталь-3" Главмосремонта.
Цель производственных испытаний:
- выявление возможности получения гипсополистирольных изделий в заводских условиях в соответствии с технологическими параметрами, разработанными в результате лабораторных исследований;
- уточнение этих параметров;
- выбор оборудования с учетом создания непрерывной механизированной технологической линии.
При проведении производственного опробования, равно как и работ в лабораторных условиях, использовались сырьевые материалы, применяемые для производства гипсопрокатных перегородок, Ха- -рактеристика сырья приведена во второй главе работы.
Формование изделий производили на полупромышленной установке (рис. 4Л). Формовочная масса готовилась в растворосмесители емкостью 70 литров.
Состав компонентов (в % по массе):
- гипс строительный - 70,9;
- полистирол - 3,6;
- замедлитель - 0,2;
- вода 25,3;
- НО -Состав компонентов по сухим составляющим (в % по массе):
- гипс строительный - 95,2;
- полистирол - 4,8;
Полистирол фракции менее 0,5 мм подвспенивали в кипящей воде в течение 10 минут и засыпали в смеситель, отдозировав по объему. Затем заливали половину необходимого количества воды с растворенным замедлителем и перемешивали 1-2 минуты. После отого туда же погружали строительный гипс (или фосфогипс) и остальную воду затворения. Все это перемешивали 3-4 минуты. Готовую массу с влажностью 50% заливали в разъемную перфорированную форму (рис. 4,1). Форма состоит из коробки и крышки, борта откидные. Крышка имеет выступы, входящие в прорезы торцевых стенок для фиксации ее положения. Для большей жесткости деревянная крышка имеет по длинным сторонам-швеллеры. К днищу формы и крышке прилегают металлические пластины толщиной 3 мм, служащие электродами. Для обеспечения замкнутости крышки с формой стягиваются специальными петлями. Размеры формы рассчитаны на элементы перегородок следующих размеров:
- толщина - 120 мм;
- ширина - 400 мм;
- длина -З 000 мм;
После укладки смеси -форму закрывали крышкой и подвергали электропрогреву (рис, 4,2) по режиму: сила тока - 18 а, напряжение - 220 в в течение 20 минут. После 20-минутной выдержки изделия распалубливали.
Тепловой расчет электропрогрева см, приложение № 2.
Прочность изделий при снятии составляет 4,0 - 4Г4 МПа при средней плотности 650 кг/м5.
Поверхность изделия готова под окраску и оклейку, т.е. не
--требует дополнительной обработки (рис, 4.3).
Изделия хорошо пилятся и имеют хорошую гвоздимость. Гвоздь; забитый в панель под углом 45 к ее плоскости выдерживает нагруз ку в 16 кг.
Всего изготовлено 14 и2 изделий. Опытная партия передана Главмосремонту в качестве межкомнатных перегородок.
Производственные работы проводились с соблюдениечрежимов и параметров, определенных в процессе исследований,
В результате опытно-производственного опробования установлено:
- примененный способ получения гипсополистирольных изделий путем использования эффекта самоуплотнения масс, состоящей из гипсового вякущего и полистирола дает возможность получать легкие гипсобетоны, соответствущие требованиям, предъявляемым к межкомнатным перегородкам;
