Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время при строительстве и ремонте зданий широко востребованы отделочные материалы на цементной основе - наливные составы для выравнивания полов, большое разнообразие штукатурных, клеевых и других композиций, которые применяются и эксплуатируются в тонком слое. Такие тонкослойные цементные композиции (ТЦК) по сравнению с конструкционными бетонами отличаются специфическими свойствами: высокой подвижностью при нанесении без механического уплотнения, твердением в температурно-влажностных условиях строительной площадки, большой открытой поверхностью уложенного материала. Этим отделочным материалам не требуется высокая прочность при сжатии, их назначением является защита конструкции от атмосферных осадков, от передачи тепла и звука, они должны обладать экологической чистотой и другими специальными свойствами. Указанные свойства не могут быть обеспечены без трещиностойкости ТЦК, от которой зависит как долговечность самого отделочного слоя, так и защита несущих конструкций здания.
С другой стороны современная строительная индустрия развивается на базе использования сухих строительных смесей, т.е. смесей твердых веществ. На момент постановки настоящих исследований отсутствовали знания о закономерностях изменения основных свойств тонкослойных композиций от вида цементной матрицы и вводимых твердых фаз -включений: добавок, наполнителей и . заполнителя, также как и отсутствовали методы испытания таких материалов в тонком слое. Поэтому развитие знаний о влиянии вводимых твердых фаз на свойства тонкослойных цементных композиций и методах их исследования имеют особенную актуальность, как с точки зрения улучшения свойств ТЦК, так и возможности создания отечественных добавок, экономически более целесообразных и доступных в разных регионах России.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в определении закономерностей изменения свойств тонкослойных цементных композиций (ТЦК) с учетом вида и свойств составляющих твердых фаз.
ЗАДАЧАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ являлись:
- определение отличительных свойств тонкослойных цементных
композиций и разработка адекватной условиям эксплуатации методики их
исследования в тонком слое;
выбор цемента и определение закономерностей изменения свойств тонкослойных цементных композиций с учетом природы составляющих твердых фаз;
разработка и промышленное внедрение тонкослойных цементных композиций различного назначения.
1. Предложено характеризовать тонкослойную цементную
композицию (ТЦК), как защитно-отделочный материал для несущих
конструкций, который имеет значение параметра lg(S/V) = 1...3, где S -
площадь открытой поверхности и V - объем композиции, отличается
высокой подвижностью при нанесении и трещиностойкостыо при
эксплуатации в тонком слое. Разработана новая методика исследования ТЦК,
включающая одновременно способ определения прочности композиции при
растяжении (патент № 2242740) и способ определения деформации усадки
(патент № 2266541) в тонком слое. Предложено оценивать
трещиностойкость собственно цементного камня (матрицы) и ТЦК по
величине отношения найденных измерений: прочности при растяжении - ор
и относительной деформации усадки - є, значения которых определяются
при испытании на одном образце. Выбран цемент для трещиностойких
композиций и определен критерий обеспечения трещиностойкости ТЦК -
Стр/є > 1,0 ГПа при стр> 1,25 МПа.
2. Предложено управлять трещиностойкостыо ТЦК введением
труднорастворимых твердых веществ определенной энергетической и
химической природы, которые способны повысить трещиностойкость при реализации механизмов катализа гидратации силикатов на поверхности, демпфирования как элементов структуры этих веществ и их способности усиливать контакты на границах разделов фаз. Установлено, что вводимые в ТЦК твердые вещества в виде трех групп неметаллических добавок и наполнителей различной энергетической и химической природы проявляют общую закономерность в пределах соответствующей группы - чем ниже энергосодержание вещества по значению параметра стандартной энтальпии (-ДН298) при введении в композицию, тем выше трещиностойкость ТЦК при эксплуатации.
3. Показано, что увеличение прочности при растяжении композиции и
повышение трещиностойкости с одновременным снижением усадки и
водопоглощения реализуется при введении в ТЦК полупроводниковых
оксидов с окислительными свойствами со значением параметра
энергосодержания -АН298 ниже 240 кДж/моль, что связано с ускорением
гидратационных процессов и увеличением количества гидросиликатов. При
введении ионных сульфатов с высокой мольной массой и значением -АН 298
ниже, чем 1440 кДж/моль также увеличивается прочность композиции при
растяжении и повышается трещиностойкость. Механизм увеличения
трещиностойкости ТЦК за счет донорно-акцепторных взаимодействий на
границе раздела фаз реализуется при введении наполнителей, имеющих
высокие значения орбитальной электроотрицательности катионов, что
способствует росту прочности контакта фаз.
4. Установлена закономерность повышения теплозащитных свойств
ТЦК от энергосодержания составляющих веществ по значению параметра
стандартной энтальпии (-AH029s); показано, что введение в композицию
твердых фаз со значением параметра -АН298 ниже, чем 1000 кДж/моль
приводит к снижению теплопроводности цементного камня за счет
образования кристаллических или гелевых гидратов и структур с
конституционной водой. Определены цементы с минимальной теплопроводностью камня и выявлена взаимосвязь теплопроводности композиции от энергетической природы составляющих твердых фаз, которая позволила произвести выбор добавок и наполнителей для получения ТЦК с улучшенными теплозащитными свойствами. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
1. Выявленные закономерности изменения свойств композиций с
учетом энергетической и химической природы вводимых твердых фаз дают
возможность прогнозировать основные свойства ТЦК на стадиях
приготовления, нанесения и эксплуатации; использование наиболее
трещиностойкого цемента и запатентованных комплексных добавок
позволили повысить трещиностойкость ТЦК до 27 % и прочность при
растяжении - до 43 %, уменьшить усадочные деформации до 12 % (патенты:
№ 2203865, № 22006535 и № 2187477), увеличить подвижность
укладываемой композиции - до 22 % и адгезионную прочность - до 57 %
(патенты № 22003866 и № 2238920). Разработанные добавки (патенты №
2239610 и № 2243051) при использовании в ТЦК позволили получить
отделочные материалы с улучшенными теплозащитными свойствами.
2. Проведена сравнительная оценка цементов разных марок по новым
параметрам: прочности при растяжении - <тр и относительной деформации
усадки - є тонкослойного камня, что позволило выбрать наиболее
трещиностойкий цемент для матрицы ТЦК. При прочих равных условиях
лучшие значения параметров ар = 1,93 МПа и є = 3,15 мм/м показал
Оскольский ПЦ 500 ДО и худшие значения параметров стр = 1,43 МПа и є =
8,27 мм/м - Лафарж-цемент марки Fondu, соответственно, разница значений
достигает 35 % по прочности при растяжении и 262 % по деформации
усадки. Определены цементы для создания ТЦК с теплозащитными
свойствами - при прочих равных условиях минимальной теплопроводностью
обладает цементный камень на основе Щуровского ПЦБ 400 - 0,50 Вт/(м-С)
и Пикалевского ПЦ 400 Д20 - 0,58 Вт/(м-С); найдены добавки и наполнители для наиболее теплозащитных ТЦК.
3. Разработаны сухие строительные смеси для горизонтальных (при
выравнивании полов) и вертикальных (при отделке стен) поверхностей с
прогнозируемыми свойствами. Для устройства полов разработаны
композиции со следующими характеристиками: самовыравнивающийся
состав для окончательного выравнивания поверхности от 0 до 10 мм с
подвижностью 30 см по Суттарду, отношением - Стр/є = 1,43 ГПа при crp =
1,44 МПа и истираемостью 0,6 г/см2; литой состав для предварительного
выравнивания поверхности от 10 до 50 мм с подвижностью 27 см по
Суттарду, отношением - Ор/в =1,37 ГПа при стр = 1,68 МПа и истираемостью
0,5 г/см2; состав для создания покрытия повышенной твердости с
подвижностью 32 см по Суттарду, отношением - Ср/є = 1,53 ГПа при ар = 1,7
МПа и истираемостью 0,4 г/см2. Для отделки внутренних и наружных стен
разработаны композиции различного назначения: штукатурные составы М
25...100, Пк 2...3, с отношениями - Стр/є = 1,1...1,25 ГПа;
гидроизоляционный состав М 150, Пк 2, Стр/є = 1,28 ГПа и F 300;
теплозащитные составы М 25...100, Пк 3, с отношениями - Стр/є = 1,06...1,16
ГПа, F 25...100 и теплопроводностью 0,25...0,32 Вт/мС, а также клеи,
терразитовые штукатурки и составы камнезаменителей. Предложенные
композиции сухих смесей более экономичны по сравнению с известными
зарубежными аналогами за счет использования запатентованных
отечественных добавок и уменьшения количества дорогостоящих
полимеров.
4. Результаты работы защищены 11-ю патентами, шестью
техническими условиями: «Смеси сухие для выравнивания полов» ТУ 5745-
009-50054834-2002, «Смеси сухие штукатурные отделочные на минеральной
основе» ТУ 5745-004-50054834-2001, «Смеси сухие клеевые» ТУ 5745-008-
50054834-2002, «Смеси сухие для ремонта бетона» ТУ 5745-001-58872609-
2003, «Смеси сухие шпаклевочные» ТУ 5745-003-58872609-2003, «Составы декоративные отделочные» ТУ 5772-002-58872609-2003 и девятью гигиеническими сертификатами, которые приведены в приложении к диссертации.
5. Разработанные композиции использованы в производстве сухих строительных смесей заводов - фирмы «Тосненские сухие смеси», ЗАО «Метробетон», фирмы «АжиоСтрой» и НПО «Корунд», Проведено внедрение ТЦК на объектах Санкт-Петербурга - штукатурные композиции были использованы при реставрации: Адмиралтейства, Строгановского и Константиновского дворцов, Мариинского театра, Собора святых апостолов Петра и Павла Петропавловской крепости, Свято-Троицкого собора Александра-Невской лавры, православных храмов Воскресения Христова, Святого великомученника Пантелеймона, Воскресенского Новодевичьего и Валаамского монастыря и других. Выравнивающие композиции нанесены при устройстве полов в жилых домах Гатчинского ДСК, ГССК, ДСК - 3, ЗАО «Треста - 68», на складах фирм: «Форд», «Оборонпромкомплекс», НПО «Корунд», «ТСС» и других объектах; акты испытаний приведены в приложении к диссертации.
ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждена результатами экспериментальных исследований,
выполненных с применением современных методов физико-химического
анализа: рентгенофазового, дифференциально-термического,
калориметрического методов, хорошей сходимостью при проведении статистической обработки экспериментальных данных, а также практическими результатами, полученными в лабораторных и промышленных условиях стройплощадки.
1. Отличительные свойства тонкослойных цементных композиций, методика их исследования и новые параметры цементного камня в тонком слое.
2. Закономерности изменения свойств тонкослойных цементных
композиций с учетом вида и свойств составляющих твердых фаз.
3. Новые тонкослойные цементные композиции различного
назначения с улучшенными свойствами и их промышленное внедрение.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы доложены и обсуждены на V Всероссийской конф. по проблемам науки и высш. шк., СПбГТУ, 2001 г.; Международной конф. «Высшее профессиональное образование на ж/д транспорте», СПб., ПГУПС 2001 г.; II Международной научно-практ. конф. «Защитные композиционные материалы и технологии третьего тысячелетия - КОМПОЗИТ 2001», СПб., ПГУПС, 2001 г.; VI Всероссийской конф. по проблемам науки и высш. шк. «Фундаментальные исследования в технических университетах», СПб., СПбГПУ, 2002 г.; Proceedings of the International Seminar held at the University of Dundee, Scotland, UK, 2002,; Международной научно-техн. конф. «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», Пенза, 2003 г.; 1st International Conference on Concrete Repair, St-Malo, France, 2003.; II Международная конф. научно-техн. конф. «Новые материалы и технологии в машиностроении», Брянск, 2003 г.; XV Internationale Baustofftagung Bauhaus - Universitat Weimar, Bundesreppublik Deutschland, 2003.; VII Всероссийской конф. по проблемам науки и высш. шк. «Фундаментальные исследования в технических университетах», СПб., СПбГПУ, 2003 г.; VI Международной научно-техн. конф. «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», СПб, ПГУПС, 2004 г.; Международной научно-техн. конф. «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», Пенза, 2004 г.; Proceedings of the International Conference organized by the Concrete and Masonry Pesearch Group and held at Kingston University, London,, UK, 2004.; II и III Международных научно-техн. конф. «Материалы и технологии XXI века», Пенза, 2004, 2005 гг.; Ill International Conference DYN-WIND 2005, Zilina, Slovak Republic.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 75 научных работ, в том числе 1 монография; 8 статей в научных журналах по списку ВАК России; публикации в трудах международных конгрессов Великобритании, Германии, Франции, Словакии и России; материалы защищены 11 патентами, 9 гигиеническими сертификатами и шестью ТУ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа, общим объемом 397 страниц, состоит из введения, 6-ти глав, общих выводов, включает 44 таблицы, 70 рисунков, 5 приложений и содержит список литературы из 251 наименования.
