ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА

ТА АРХІТЕКТУРИ

Сидорова Наталія Валеріївна

УДК 666.965:547.14

МОДИФІКОВАНІ СИЛІКАТНІ МАТЕРІАЛИ

БЕЗАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДІННЯ.

СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ

Спеціальність 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: – кандидат технічних наук, доцент Шинкевич

Олена Святославiвна, Одеська державна академія

будівництва та архітектури, доцент кафедри

“Будiвельнi матерiали”.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, старший науковий

співробітник, доцент Ляшенко Тетяна Василiвна,

Одеська державна академія будівництва та

архітектури, доцент кафедри прикладної і

обчислювальної математики і систем

автоматизованого проектування;

– кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник Мохорт Микола Аркадiйович,

державний науково-дослідний інститут вяжучих

речовин та матеріалів iм. В.Д. Глуховського при

Київському національному університеті будівництва

і архітектури, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Український державний унiверситет водного господарства

та природокористування, кафедра “Технологія будівельних

виробів матеріалознавства” Міністерства освіти і науки

України, м. Рівне.

Захист відбудеться “24лютого 2004 р. об 1100 годині на засіданні Спеціалізованої Вченої Ради Д 41.085.01 Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4

Автореферат розісланий “23січня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Макарова С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дисертаційної роботи. В умовах сучасних економічних відносин перед технологами і виробниками ставляться задачі, які охоплюють як економічні, так і еколого-технологічні аспекти впровадження будівельних матеріалів. Вимоги до продукції і до її виробництва, обумовлені інтересами споживачів, враховують актуальні питання економічної доцільності і конкурентноздатності сучасних матеріалів і виробів, а також технології їх виробництва. Рішення даних питань ґрунтується на розробці і впровадженні ресурсозберігаючих технологій, що забезпечують задані експлуатаційні властивості матеріалів високої надійності і довговічності. Розробка і впровадження ресурсозберігаючих технологій припускає в якості одного з ефективних технологічних прийомів використання резервів структури мінеральних речовин замість витрат електроенергії.

У сучасному будівництві значний обсяг у загальному об’ємі виробництва стінових матеріалів приходиться на частку силікатних виробів. Є всі підстави вважати за доцільне подальший розвиток цього виду матеріалів, тому що виробництво силікатних виробів має у своєму розпорядженні значний потенціал у виді сировинної бази і резервів виробництва.

Перспективним напрямком, що дозволяє регулювати ресурсозбереження, є скорочення витрат електроенергії на стадії експлуатації конструкцій і споруджень. У цих умовах виготовлення модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння є актуальною задачею.

Поліпшенню техніко-економічних показників технологій сприяє рішення проблеми одержання матеріалу з заданими властивостями в оптимальному режимі ведення виробничих процесів. У зв'язку з цим оптимізація складів і режимів твердіння силікатних матеріалів є також актуальною задачею, рішенню якої сприяє застосування математичних методів моделювання.

Звязок роботи з науковими програмами: Робота виконувалась на кафедрі “Будівельні матеріали” Одеської державної академії будівництва та архітектури за кафедральною тематикою: “Регулювання основних показників якості силікатних бетонів безавтоклавного твердіння, модифікованих мінеральними добавками, з урахуванням аналізу процесу структуроутворення, на основі математичного моделювання зв'язку складу, технології і структури з властивостями”.

Мета дослідження: оптимізація складу та режимів твердіння модифікованих силікатних матеріалів з поліпшеними експлуатаційними властивостями при одночасному зниженні матеріало- і енергоємності виробів.

Для виконання поставленої мети були визначені наступні задачі:

- дослідити фізико-механічні властивості модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння, проаналізувати можливості регулювання експлуатаційних властивостей силікатних матеріалів за рахунок зміни величини питомої поверхні мінеральної добавки, складу сировинної суміші і режимів твердіння;

- дослідити пористість загальну, відкриту, закриту, а також їх відношення і проаналізувати можливості їх регулювання за рахунок зміни величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння;

- дослідити мінеральний склад новоутворень і проаналізувати можливості їх регулювання за рахунок зміни величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння;

- кількісно оцінити на основі аналізу кореляційного зв’язку ступінь впливу характеристик структури на властивості;

- провести багатокритеріальну оптимізацію складу і режимів твердіння за умовами одержання стінового матеріалу з поліпшеними тепло- і гідрофізичними властивостями,

- впровадити оптимальні склади і технологічні режими виробництва модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння з мінеральними добавками;

Об’єкт дослідження: модифіковані силікатні матеріали безавтоклавного твердіння.

Предмет дослідження: вплив кількісного і якісного складу і режимів твердіння на структуру і фізико-механічні властивості модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння з мінеральними добавками.

Методи дослідження: планування і проведення оптимальних багатофакторних експериментів для одержання експериментально-статистичних (ЕС) моделей, що описують зв'язок кількісного і якісного складу, режимів твердіння і структури з властивостями. Експериментальне визначення фізико-механічних властивостей та характеристик структури за стандартними, оригінальними та удосконаленими методиками. Фізико-хімічні методи дослідження мінералогічного та хімічного складу: ДТА і електронно-мікроскопічний аналізи. Визначення в'язкості суміші на реометрі з коаксіальними циліндрами. Обчислювальні експерименти і кореляційний аналіз з використанням комплексу ЕС моделей. Багатокритеріальна оптимізація складу і режимів твердіння.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено, що активація сировинної суміші, яка включає механічну активацію за рахунок аморфізації поверхні кристалічного кварцу, а також хімічну активацію за рахунок введення мінеральної добавки у вигляді трепелу оптимальної кількості і оптимальної питомої поверхні, дозволяє підвищити гідравлічні властивості суміші і знизити температуру утворення гідросилікатів кальцію;

- показана можливість застосування мінеральних добавок із заданою питомою поверхнею для регулювання фізико-механічних властивостей модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння, встановлено закономірності зміни і вивчені можливості регулювання фізико-механічних властивостей, характеристик структури за рахунок зміни величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і регулювання режимів твердіння;

- розраховано коефіцієнти кореляції властивостей з характеристиками структури з урахуванням величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння, а також взаємодій між ними;

- проведена багатокритеріальна оптимізація складу і режимів твердіння по комплексу показників якості, які забезпечують одержання матеріалів з поліпшеними тепло- і гідрофізичними властивостями;

Практичне значення отриманих результатів.

- комплексна активація сировинної суміші в умовах виробництва дозволила перейти від автоклавування до пропарювання при Т=85?С модифікованих силікатних матеріалів і виробів на їх основі,

- рекомендовані оптимальні склади і режими твердіння, які забезпечують в умовах виробництва одержання силікатних матеріалів з поліпшеними експлуатаційними, в тому числі теплофізичними властивостями, які забезпечать ресурсозбереження як на стадії виробництва за рахунок зниження витрати тепла, необхідного на теплову обробку, так і на стадії експлуатації виробів за рахунок зниження паливно-енергетичних ресурсів на опалення;

- здійснено впровадження науково-експериментальних досліджень на ВАТ “Силікат” при випуску дослідно-промислової партії силікатних виробів об’ємом 170 м3. Техніко-економічний розрахунок показав, що впровадження цього матеріалу дозволить знизити витрати тепла через огороджуючи конструкції на 26,7%;

- отримано рішення про видачу деклараційного патенту на винахід “Сировинна суміш для одержання модифікованих силікатних матеріалів та спосіб її приготування” №2003076631 від 15.07.2003 р.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні натурних експериментів та дослідженні властивостей матеріалу і характеристик структури. В опублікованих роботах зі співавторами здобувачу належать:

- дослідження фізико-механічних властивостей силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння, розрахування комплексу ЕС моделей, що описують вплив величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння на міцнісні, гідро- і теплофізичні властивості [1,5,8];

- дослідження комплексу характеристик структури і розрахування комплексу ЕС моделей, що описують вплив величини питомої поверхні мінеральної добавки, добавки гіпсу і режимів твердіння на характеристики структури [2,3,7,9];

- проведення кореляційного аналізу ступеня зв'язку властивостей з характеристиками структури [3,9];

- проведення оптимізації складів сировинної суміші та режимів твердіння силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння з поліпшеними експлуатаційними властивостями [4,8];

- проведення техніко-економічного аналізу ресурсозбереження у виробництві силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння [6,10].

Апробація дисертаційної роботи.

Основні положення дисертаційної роботи повідомлені на міжнародних семінарах по моделюванню і оптимізації композитів (Одеса, 2001, 2003), на науково-практичному семінарі “Структура, властивості і склад бетону” (Рівне, 2002), на міжнародній науково-практичній конференції і симпозіумі “Міжрегіональні проблеми екологічної безпеки” (Суми, 2002, 2003).

Публікації.

Основні положення дисертаційної роботи викладені в 10 друкованих працях, у тому числі 6 публікацій – у фахових виданнях, 4 – у матеріалах доповідей та збірниках міжнародних конференцій, семінарів, симпозіумів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку використаних джерел, 1 додатку. Дисертація викладена на 189 сторінках, з яких 168 сторінок основного тексту, 40 рисунків, 16 таблиці, список використаних джерел з 167 найменувань.

Зміст роботи

У вступі обґрунтована доцільність дисертаційної роботи, сформульовані мета та основні задачі досліджень, розкрито їх наукову новизну, викладена практична цінність отриманих результатів, наведені відомості про апробацію дисертації, дана загальна характеристика роботи, мета, задачі, об'єкт, предмет дослідження, а також основні наукові і практичні результати.

У першому розділі проведено аналіз літературних джерел з питань керування структурою і властивостями композиційних матеріалів, у тому числі силікатних.

На основі аналізу літературних джерел показано, що розробка і впровадження ресурсозберігаючих технологій припускає в якості ефективних технологічних прийомів використання резервів структури речовин замість витрат енергії і керування на сучасному рівні процесом структуроутворення таким чином, щоб забезпечити експлуатаційні властивості будівельних композиційних матеріалів високої довговічності і надійності.

Відомо, що міцнісні властивості силікатних матеріалів визначають гідросилікати кальцію, які синтезуються в умовах насиченої водяної пари в процесі автоклавування. В даний час встановлено, що найбільш ефективною в порівнянні з тепловологовою активацією є хімічна активація мінеральних речовин, яка сприяє підвищенню міцності за рахунок росту швидкості структуроутворення і, відповідно, процесів кристалізації при одночасному формуванні більш мілкокристалічної і щільної структури.

У багаточисленних сучасних дослідженнях показано, що інтенсифікація зовнішніх впливів на одній зі стадій одержання матеріалу приводить до появи якісно нових властивостей дисперсних систем, в тому числі у виді хімічної активації за рахунок реалізації внутрішніх резервів складових компонентів.

Розроблені в даний час основи активації мінеральних речовин і різні технологічні способи їх реалізації дозволили припустити, що комплексна активація вапняно-кремнеземистої суміші за рахунок реалізації внутрішніх резервів кристалічного кварцу шляхом інтенсифікації зовнішніх впливів на стадії перемішування, а також за рахунок введення в її склад хімічно активної і оптимальної по вмісту і величині питомої поверхні кремнеземистого компоненту з аморфною структурою у вигляді мінеральної добавки, дозволять підвищити гідравлічні властивості суміші і понизити температуру утворення гідросилікатів кальцію.

В другому розділі приведена загальна блок-схема дослідження і обґрунтовано вибір факторів і рівнів їх варіювання, вибір оптимального плану експерименту, викладено алгоритм і стратегія аналізу результатів натурного експерименту, представлена характеристика вихідних матеріалів і методики дослідження.

В даному дослідженні суміші готувалися у швидкісному змішувачі-активаторі. У турбулентних потоках змішувача в момент зіткнення часток виникають значні деформації, що змінюють характер дефектності кристалів твердої фази і сприяють аморфізації структури на їх поверхні.

Додаткова хімічна активація вихідної суміші здійснювалася введенням у її склад більш хімічно активного в порівнянні з кристалічним кварцом компонента у вигляді мінеральної добавки аморфної структури – трепелу в оптимальній кількості і з заданою величиною питомої поверхні.

Для дослідження і аналізу впливу кількісного і якісного складу і режимів твердіння на властивості було сплановано багатофакторний натурний експеримент. У сучасних наукових дослідженнях для формування інформаційної бази ЕС моделювання при вирішенні задач, у яких розкриваються закономірності зв'язку властивостей зі складом сировинної суміші, структурою та технологією і які відрізняються дією безлічі факторів, питання стратегії і тактики науково обґрунтовано зважуються на основі методології і методів математичної теорії планування експериментів, що дозволяє одержати нову наукову інформацію за рахунок можливості обліку багаточисленних взаємодій і взаємовпливу між сукупністю досліджуваних факторів.

Експеримент поставлений по спеціально синтезованому д.т.н. Ляшенко Т.В. насиченому плану типу MTQ (mixture-technology-quality). Математичні моделі, розраховані за планом MTQ, графічно інтерпретуються у виді складових трикутників, розташованих на кубі трьох рецептурно-технологічних факторів.

В експерименті варіювалася величина питомої поверхні трепелу ?i=Sуд=(425±75), м2/кг. Тривалість попереднього витримування в нормальних умовах твердіння варіювалася в межах ?пв=Х4= (6±6) год. Тривалість твердіння в умовах тепловологової обробки при Т=85?С змінювалась в інтервалі ?тво=Х5=(14±4) год. Вміст добавки гіпсу змінювався Сг=Х6=(2,5±2,5),%, що дозволило аналізувати склади як з гіпсом, так і без гіпсу.

Натурний експеримент виконаний при В/Т =const. Оптимальний вміст лужного компонента і добавки трепелу встановлено в ході попередніх досліджень і зафіксовано на постійному оптимальному рівні, добавка гіпсу вводилась замість частини кварцового піску. При такій постановці експерименту на в'язкість впливала тільки питома поверхня мінеральної добавки, що дозволило реалізувати натурний експеримент із 24 складами (вапно, кварцовий пісок, мінеральна добавка, гіпс) на практично рівнов'язких сумішах: ефективна в'язкість суміші змінювалася на з?7 % (у діапазоні градієнтів швидкості деформацій 1<?<134 с-1 на віскозиметрі з коаксіальними циліндрами), що дозволило виключити з аналізу вплив цих двох факторів.

В якості вихідних параметрів аналізувалися три групи критеріїв.

В першу групу включені показники фізико-механічних властивостей: міцність при стиску - Rст, міцність на вигин – Rвиг, морозостійкість - F, водостійкість, яка характеризується коефіцієнтом розм’якшення - Кр, а також теплопровідність, яка характеризується коефіцієнтом теплопровідності – л і густина – с.

Структура в дійсному дослідженні оцінюється комплексом характеристик структури, що змінюються під впливом факторів, що досліджуються, і можуть бути визначені фізичними або фізико-хімічними методами.

У другу групу включені слідуючи характеристики структури: пористість загальна – Рзаг, пористість закрита – Рзак та відкрита – Рвід, відношення відкритої до закритої пористості Рвід/Рзак, відношення відкритої до загальної – Рвід/Рзаг, капілярний підсос – wф.

У третю групу включені: кількісні і якісні показники мінерального складу новоутворених фаз, втрата маси при прожарюванні, як показник ступеню гідратації гідросилікатів кальцію.

У третьому розділі проведено дослідження впливу величини питомої поверхні, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння на фізико-механічні властивості модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння.

Для формування інформаційної бази ЕС моделювання у результаті реалізації експерименту отримані багатофакторні ЕС моделі “склад – технологія – властивість” і “склад – технологія – структура”, що дозволило вивчати залежності “склад – технологія – структура – властивості”. Аналіз значимості ефектів взаємодій у дисперсних системах дозволив виділити найбільш чуттєві до керування фактори складу і технології для прогнозування і направленого регулювання властивостей модифікованих силікатних матеріалів.

Зміна Rст під впливом факторів, що досліджуються, описується моделлю (1):

В області факторного простору Rст змінюється від 6,5 до 22,5 МПа, тобто в 3,5 рази, Rвиг змінюється в 2,6 рази і забезпечує міцність, що перевищує нормовану: для М 75, 100 – на 50-60%, М 25, 175 – на 30-35%, М 200 – на 15 %, змінюється від 0,46 до 0,92 Вт/моК, морозостійкість змінюється от 15 до 35 циклів, Кр=0,78-0,96, с=1450 -1650 кг/м3, тобто густина на 20-25% нижче густини силікатних матеріалів автоклавного твердіння.

Максимальні значення Rстmax=10,5 МПа для складів без гіпсу і Rстmax=22,5 МПа для складів з гіпсом досягаються при різній величині питомої поверхні мінеральної добавки: в першому випадку оптимальною є S2=425 м2/кг, у другому – S1=350 м2/кг /рис.1/.

Максимальні значення Rвигmax для складів без гіпсу досягаються на S1=350 м2/кг питомої поверхні мінеральної добавки, а з гіпсом – на S3=500 м2/кг /рис.2а/. Тобто оптимуми Rстmax і Rвигmax досягаються на різних складах, які відрізняються як вмістом гіпсу, так і величиною питомої поверхні мінеральної добавки і режимами твердіння.

Підвищенню морозостійкості сприяє застосування двохфракційної суміші мінеральної добавки з S2=425 м2/кг і S3=500 м2/кг /рис.2в/.

Найбільшою водостійкістю характеризуються склади з гіпсом при використанні мінеральної добавки з S3=500 м2/кг , а без гіпсу – з S1=350 м2/кг /рис.2б/. Взаємодії між досліджуваними факторами: вмістом добавки гіпсу, величиною питомої поверхні мінеральної добавки і режимами твердіння істотно розширюють область матеріалів з ??0,58 Вт/м?К. Отже, застосування мінеральної добавки з заданою питомою поверхнею дозволяє регулювати фізико-механічні властивості силікатних матеріалів, а оптимальна величина Sуд мінеральної добавки повинна визначатися з урахуванням основного критерію якості.

У четвертому розділі проаналізовано вплив величини питомої поверхні, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння на параметри пористості і на мінеральний склад новоутворень силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння.

Показано, що зміна властивостей під впливом величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння обумовлено модифікацією структури під впливом перерахованих факторів: змінюється кінетика і інтенсивність водонасичення на 15%, що свідчить про зміну характеру і розміру капілярів, відношення Рвід/Рзаг змінюється на 35%, Рвід/Рзак змінюється в 2,7 разів, wi – в 4 рази /рис. 3/.

Результати фізико-хімічних досліджень показали наявність у структурі модифікованих силікатних матеріалів закристалізованих гідросилікатів тоберморитової групи CSH(II), кристалічного гилебрандиту C2SH(В) та його різновиди C2SH(С) і високосновного гідросилікату кальцію C4S3H. У залежності від умов кристалізації в структурі матеріалів утворюються гідросилікати кальцію різної основності і у різних кількісних співвідношеннях /рис.4/.

Електронно-мікроскопічні дослідження і аналіз моделі (2), яка описує втрату маси при прожарюванні, показали, що питома поверхня мінеральної добавки визначає морфологію і ступінь закристалізованості новоутворених фаз. Комплекс ЕС моделей, які побудовані по результатам фізико-хімічного аналізу, описує кількісні зміни мінерального складу гідросилікатів кальцію і ступеню їх гідратації в залежності від питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння.

Результати ЕС моделювання показали, що питома поверхня мінеральної добавки визначає кінетику структуроутворення, структуру силікатного каменю й у підсумку – властивості модифікованих силікатних матеріалів. Обчислювальний експеримент дозволив описати кількісні зміни мінерального складу гідросилікатів кальцію в залежності від питомої поверхні мінеральної добавки.

З метою аналізу значимості ефектів взаємозв'язку між двома комплексами ЕС моделей проведений кореляційний аналіз властивостей з параметрами структури. Для одержання вірогідних даних по моделях натурного експерименту розрахована велика кількість значень властивостей і параметрів структури шляхом генерації випадкових крапок в факторному просторі з урахуванням помилки, яка генерується також обчислювальним експериментом.

Аналіз кореляційного зв'язку властивостей з характеристиками структури показав, що ступінь кореляції залежить від усіх досліджуваних факторів, а також від рівня взаємовпливів між ними, а саме: від кількісного і якісного складу суміші в залежності від наявності або відсутності добавки гіпсу і величини питомої поверхні мінеральної добавки; від моно- або поліфракціонного якісного складу мінеральної добавки при незмінюваному кількісному складі; від рівня взаємовпливу між кількісним і якісним складом і технологічними режимами /рис.5/.

Неоднозначний зв'язок між властивостями і структурними характеристиками дозволив припустити необхідність проведення кореляційного аналізу в зоні оптимальних складів як одного з етапів багатокритеріальної оптимізації.

Встановлено, що використання мінеральних пористих добавок в виробництві модифікованих силікатних матеріалів сприяє підвищенню їх пористості за рахунок збільшення частини закритої пористості добавок і часткової закупорки пор аморфною фазою. Підвищення утримання аморфних з’єднань у структурі матеріалу, також як і зміна характеру пористості, сприяє покращенню теплофізичних властивостей і підвищенню водостійко-сті матеріалів. А оптимальне відношення між кристалічною і аморфною фазами забезпечує потрібні показники міцності матеріалу.

Таким чином, мінеральні добавки з заданою величиною питомої поверхні виконують роль модифікаторів структури і дозволяють регулювати інтенсивність процесу синтезу і морфологію гідросилікатів кальцію, а також пористість загальну, відкриту, закриту і їх відношення.

У п'ятому розділі проведена оптимізація технологічних процесів, як одного з наукових напрямків. Для вибору оптимальних параметрів будь-якого технологічного процесу необхідно кількісно оцінити і зіставити величезну кількість взаємозв'язків і можливих варіантів.

В роботі приводиться алгоритм поетапної багатокритеріальної оптимізації рецептурно-технологічних факторів і структури модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння.

Багатокритеріальна оптимізаційна задача сформульована таким чином: одержання стінових виробів на основі силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння, модифікованих мінеральною добавкою, заданих марок по міцності і морозостійкості з поліпшеними тепло- и гідрофізичними властивостями при одночасному зниженні матеріало- і енергоємності виробів.

Оптимізаційна задача І-го етапу полягала в тому, щоб для складів без гіпсу визначити область складів і рецептурно-технологічних факторів, що забезпечують необхідні значення міцності при стиску з урахуванням міцності при вигині для марки 75, 100 з нормованою маркою по морозостійкості F 15 і з максимальним значенням коефіцієнту розм’якшення Кр при мінімізації значень коефіцієнту теплопровідності ? і густини с.

Оскільки за умовою задачі розроблюваний матеріал є стіновим, то, за своїм функціональним призначенням однією з визначальних його властивостей є теплопровідність. Виходячи з цього, головним критерієм серед групи основних критеріїв оптимізації обраний коефіцієнт теплопровідності з урахуванням густини матеріалів.

У групу основних критеріїв, що визначають якість композиту як стінового матеріалу, увійшли також марка по міцності при стиску з урахуванням міцності при вигині, марка за морозостійкістю і коефіцієнт розм'якшення.

На другому етапі основним методологічним принципом оптимізації властивостей матеріалів як стінових є аналіз основних закономірностей одержання матеріалів із заданою структурою, що найбільш повно відповідають вимогам експлуатації в даній конструкції і техніко-економічним показникам їх виробництва. Тобто структура матеріалу повинна створюватися цілеспрямовано з метою досягнення максимального ефекту по зниженню теплопровідності при мінімально можливих витратах.

Вибір раціональних складів здійснено накладенням оптимізаційних діаграм, отриманих у результаті обчислювального експерименту. Оптимізаційні діаграми розраховані для значення оптимальної величини питомої поверхні мінеральної добавки і прийняті за результатами попереднього аналізу моделі ?. Для цих же значень рецептурно-технологічних факторів із заданої за умовою 0,46<лнорм?0,58, величини питомої поверхні мінеральної добавки, що передбачає суміш 2-х фракцій ?1=х3=1/2) розраховані інші основні критерії якості композиційних матеріалів: Rст, Rвиг, с, Кр і F. На оптимізаційних діаграмах виділені /не заштриховані/ області, що відповідають вимогам оптимізаційної задачі. /рис. 6/.

Як випливає з діаграм, попереднє витримування виробів дозволяє розширити область, що задовольняє основним критеріям якості. Розширення області оптимальних рішень забезпечує реалізацію необхідних рецептурно-технологічних параметрів у виробничих умовах з високим ступенем надійності і сприяє одержанню матеріалів гарантованої якості.

На даному етапі для того, щоб з декількох отриманих рішень вибрати необхідні, проводиться аналіз кореляційного зв'язку властивостей з параметрами структури. У результаті ранжирування параметрів структури по ступеню їх кореляції з властивостями виділені ті з них, з обліком яких здійснюється оптимізація складу і технологічних факторів для одержання силікатних матеріалів із заданими показниками якості.

За результатами оптимізації рекомендовані значення питомої поверхні мінеральної добавки, технологічні режими і склади, що забезпечують одержання стінових матеріалів з наступним рівнем експлуатаційних показників якості: с=1451 – 1650 кг/м3, л=0,46 – 0,58 ?т/м ?К, марки по міцності М 75, 100; по морозостійкості – F 15, з коефіцієнтом розм'якшення 0,86 – 0,9.

Технологічні режими повинні призначатися конкретно для кожного складу з урахуванням комплексу вимог до показників якості, комплекс вимог формується, у свою чергу, з урахуванням області застосування матеріалу.

На ВАТ “Силікат” здійснено випуск дослідно-промислової партії модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння. Техніко-економічний розрахунок показав, що впровадження цього матеріалу дозволить знизити витрати тепла через огороджуючи конструкції на 26,7%, тобто основний економічний ефект отримує споживач.

Загальні ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість одержання силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння з поліпшеними тепло- і гідрофізичних властивостями шляхом модифікації структури. Використання механічної і хімічної активації забезпечує одержання модифікованих силікатних матеріалів з наступними характеристиками: М 75-200, F 15-35, Кр?0,84, л=0,46-0,7 ?т/м?К, ?=1451-1650 кг/м3, що на 20-25% нижче густини звичайних силікатних бетонів.

2. Встановлено закономірності зміни міцнісних, гідро- і теплофізичних властивостей і густини під впливом питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння. Таким чином, властивості матеріалів можуть направлено регулюватися в широких межах Rст в 3,5 рази, Rвиг в 2,6 рази, ? в 1,5 рази, F від 15 до 35 циклів, Кр на 22%.

3. Встановлено закономірності зміни пористості загальної, відкритої, закритої під впливом питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння, що можуть змінюватися в діапазонах: пористість загальна Рзаг від 30 до 40%, відношення пористості відкритої до закритої Рвід/Рзак в 2,7 разів, відношення пористості відкритої до загальної Рвід/Рзаг – на 43%, капілярний підсос w – на 10%.

4. Мінеральний склад модифікованих силікатних матеріалів представлено тоберморитоподобними закристалізованими силікатами кальцію CSH(II), кристалічним гиллебрандитом C2SH(B) і його різновидом C2SH(С), гідросилікатом кальцію С4S3H. В залежності від величини питомої поверхні мінеральної добавки і умов твердіння утворюються гідросилікати кальцію різної основності і в різних кількісних співвідношеннях.

Встановлено закономірності зміни вмісту новоутворених фаз під впливом величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння, що можуть змінюватися в діапазонах: CSH(II) – від 11 до 20%, C2SH(B) – від 4 до 51%, C2SH(С) – від 7 до 33%, С4S3H – від 0 до 18%.

5. Аналіз кореляційних зв'язків між властивостями і характеристиками структури показав, що склад і режими твердіння впливають на структуру і властивості силікатних матеріалів, а саме в зоні оптимуму міцності на стиск (Rст ? 20 МПа) коефіцієнт кореляції міцності на стиск з відношенням відкритої до загальної пористості для складу з S1 {r}= -0,98, з S3 – {r}= 0,04, з S1:S3=1:1 – {r}= -0,81. Тому технологічні режими повинні призначатися конкретно для кожного складу з урахуванням вимог до показників якості, що, у свою чергу, формулюються з урахуванням області застосування виробів.

6. Проведена багатокритеріальна оптимізація складу і режимів твердіння по комплексу експлуатаційних властивостей. За результатами оптимізації рекомендовані значення питомої поверхні мінеральної добавки, технологічні режими і склади, що забезпечують одержання стінових матеріалів з наступним рівнем експлуатаційних показників якості: марки по міцності М 75; 100, по морозостійкості – F 15, с=1500кг/м3, л=0,5; 0,55 ?т/м?К, з коефіцієнтом розм'якшення 0,84; 0,86.

7. Результати оптимізації складів і режимів твердіння були впроваджені на ВАТ “Силікат” при випуску дослідно-промислової партії силікатних виробів об’ємом 170м3. Техніко-економічний розрахунок показав, що впровадження цього матеріалу дозволить знизити витрати тепла через огороджуючи конструкції на 26,7%, тобто основний економічний ефект отримує споживач.

Основні положення дисертації викладені у працях:

1.

Внесок здобувача – досліджено вплив вмісту та величини питомої поверхні мінеральної добавки на міцності властивості.

2. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В. Особенности структурообразования и твердения активированных известково-кремнеземистых композиций с минеральными добавками // Моделирование и оптимизация в материаловедении: Материалы к 40-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов. – Одесса, 2001 – С.52-53.

Внесок здобувача – виконані експериментальні дослідження пористостi і властивостей матеріалів.

3. Шинкевич Е.С., Шкрабик И.В., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С. Корреляционный анализ и оптимизация структуры в исследованиях с использованием экспериментально-статистических моделей // Ресурсоекономнi матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. – Вип.8. – Рівне, 2002 – С.31-36.

Внесок здобувача – отримані експериментально-статистичні моделі, які описують зв'язок питомої поверхні мінеральної добавки, складу і технологічних режимів на міцність при стиску і міцність на вигин, морозо- і водостійкість.

4. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Гнып О.П. Особенности оптимизации составов силикатных композиций с минеральными добавками // Вісник ОДАБА. Вип.№6-2002. – Одеса, 2002рiк. – С.216-221.

Внесок здобувача – обґрунтовано рівні варіювання рецептурно-технологічних факторів в основному експерименті, оптимізовані склади.

5. Шинкевич Е.С., Керш В.Я., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С. Эффективные механоактивированные силикатные стеновые материалы // Строительство и техногенная безопасность: Сб. науч. тр.: Крымская академия природоохранного и курортного строительства. – Вып. 6. – Симферополь, 2002. – С.235-237.

Внесок здобувача – отримані експериментально-статистичні моделі, що описують зв'язок величини питомої поверхні мінеральної добавки, складу і технологічних режимів з теплопровідністю.

6. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Парамонов Д.Ю. Возможности ресурсосбережения на основе анализа связи состава, структуры и теплофизических свойств активированных силикатных композиций безавтоклавного твердения // Межрегиональные проблемы экологической безопасности: Тр. междунар. науч.-практ. конференции, т. 2. – Сумы – Санкт-Петербург, 2002. – С.61-66.

Внесок здобувача – отримані експериментально-статистичні моделі, що описують зв'язок питомої поверхні мінеральної добавки, складу і технологічних режимів з теплопровідністю. Проаналізовані аспекти ресурсозбереження.

7. Шинкевич Е.С., Манжос А.В., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Шевчук Г.В. Особенности моделирования результатов физико-химических и химических методов анализа // Моделирование и оптимизация в материаловедении: Материалы к 42-му междунар. сем. по моделированию и оптимизации композитов. – Одесса, 2003 – С.32-34.

Внесок здобувача – проведено аналіз фізико-хімічного складу новоутворень.

8. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Гнып О.П. Анализ и оптимизация структуры и свойств активированных силикатных материалов безавтоклавного твердения // Вісник Донбаської ДАБА. Композиційні матеріали для будівництва: Зб. наук. праць. – Вип. 1(38). –Макіївка, 2003. –С.172-178.

Внесок здобувача – проведено оптимізацію складу і режимів твердіння для отримання матеріалів з поліпшеними теплофізичними властивостями.

9. Шинкевич Е.С., Луцкин Е.С., Сидорова Н.В. Анализ корреляционной связи между структурными характеристиками и свойствами модифицированных силикатных материалов // Вісник ОДАБА. – Вип. № 9. – Одеса, 2003. – С.194-198.

Внесок здобувача – проведено кореляційний аналіз міцнісних властивостей з відношенням відкритої та загальної пористостей .

10. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Парамонов Д.Ю., Политкин С.И. Анализ эколого-экономических и технологических аспектов ресурсосбережения в производстве модифицированных силикатных материалов // Межрегиональные проблемы экологической безопасности: Сб. тр. симп. – Сумы – Санкт-Петербург, 2003. – С.225-232.

Внесок здобувача – проведено аналіз економічних та технологічних аспектів ресурсозбереження.

АНОТАЦІЯ

Сидорова Н.В. Модифіковані силікатні матеріали безавтоклавного твердіння. Структура, властивості. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби. – Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2004.

В дисертаційній роботі теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість одержання модифікованих силікатних матеріалів безавтоклавного твердіння з поліпшеними тепло- і гідрофізичними властивостями шляхом модифікації структури в результаті механічної активації сировинної суміші за рахунок аморфізації поверхні кристалічного кварцу, а також хімічної активації за рахунок введення мінеральної добавки у виді трепелу. Отримані ЕС моделі, що описують зміни властивостей (Rст, Rвиг, F, Кр, л), ?ористості відкритої, закритої, загальної і мінерального складу новоутворених фаз під впливом величини питомої поверхні мінеральної добавки, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння.

Проведена багатокритеріальна оптимізація складу і режимів твердіння по комплексу експлуатаційних властивостей. За результатами оптимізації рекомендовані значення питомої поверхні мінеральної добавки, технологічні режими і склади, що забезпечують одержання стінових матеріалів з наступним рівнем експлуатаційних показників якості: марки по міцності М 75;100, по морозостійкості – F 15, с=1500;1550 кг/м3, л=0,5;0,55 ?т/м?К, , з коефіцієнтом розм'якшення 0,84;0,86.

Ключові слова: силікатні матеріали безавтоклавного твердіння, мінеральна добавка, питома поверхня, механічна та хімічна активація, математичне моделювання, експериментально-статистична модель, кореляційний аналіз, багатокритеріальна оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Сидорова Н.В. Модифицированные силикатные материалы безавтоклавного твердения. Структура, свойства. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. – Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2004.

В условиях современных экономических отношений перед технологами и производителями стоят задачи, которые охватывают как экономические, так и эколого-технологические аспекты производства строительных материалов. Решение данных вопросов базируется на разработке и внедрении ресурсосберегающих технологий, которые обеспечивают заданные эксплуатационные свойства материалов высокой надежности и долговечности. Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий предполагает в качестве одного из эффективных технологических приемов использования резервов строения минеральных веществ вместо затрат электроэнергии.

В современном строительстве значительная часть в общем объеме производства стеновых материалов приходится на долю силикатных изделий. Есть все основания считать целесообразным дальнейшее развитие производства этого вида материалов, так как производство силикатных изделий имеет в своем распоряжении значительный потенциал в виде сырьевой базы и резервов производства.

Перспективным направлением, которое позволяет регулировать ресурсосбережение, является сокращение затрат электроэнергии на стадии эксплуатации конструкций и сооружений. В этих условиях получение модифицированных силикатных материалов безавтоклавного твердение является актуальной задачей.

Улучшению технико-экономических показателей технологий способствует решение проблемы получения материала с заданными свойствами в оптимальном режиме ведения производственных процессов. В связи с этим оптимизация составов и режимов твердения силикатных материалов является также актуальной задачей, которая решается с применением математических методов моделирования.

В работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения модифицированных силикатных материалов безавтоклавного твердения с улучшенными тепло- и гидрофизическими свойствами путем модификации структуры в результате механической активации сырьевой смеси за счет аморфизации поверхности кристаллического кварца, а также химической активации за счет введения минеральной добавки в виде трепела.

Установлены закономерности изменения и изучены возможности управления прочностными (прочности при сжатии Rсж и изгибе Rизг), гидрофизическими (морозостойкость F, коэффициент размягчения Кр), теплофизическими (теплопроводность ?) свойствами, плотностью ? и пористостью (открытой Ротк, закрытой Рзак, общей Робщ) и минеральным составом новообразований за счет изменения удельной поверхности минеральной добавки, содержания добавки гипса и режимов твердения.

В области факторного пространства Rсж изменяется от 6,5 до 22,5 МПа, то есть в 3,5 раза, Rизг изменяется в 2,6 раза, Rизг превышает нормированную на 50-60 %: изменяется от 0,46 до 0,92 Вт/м?К, F изменяется от 15 до 35 циклов, Кр=0,78-0,96, с=1450-1650 кг/м3, то есть плотность на 20-25% ниже плотности обычных силикатных материалов. Максимальные значения Rсжmax=10,5 МПа для составов без гипса и Rсжmax=22,5 МПа для составов с гипсом достигаются на разной величине удельной поверхности минеральной добавки: в первом случае оптимальной является S2=425 м2/кг, во второй – S3=350 м2/кг.

Показано, что изменение свойств под влиянием величины удельной поверхности минеральной добавки, содержания добавки гипса и режимов твердения обусловлено модификацией структуры под влиянием перечисленных факторов: изменяется кинетика и интенсивность водонасыщения на 15%, что свидетельствует об изменении характера и размера капилляров, отношение Ротк/Робщ изменяется на 35%, Ротк/Рзакр изменяется в 2,7 раз, wi – в 4 раза.

Результаты физико-химических исследований показали наличие в структуре модифицированных силикатных материалов закристаллизованных гидросиликатов тоберморитовой группы CSH(II), кристаллического гилебрандита C2SH(В) и его разновидности C2SH(С) и высокосновного гидросиликата кальция C4S3H. В зависимости от условий твердения образуются гидросиликаты кальция разной основности и в разных количественных соотношениях. Следовательно, минеральные добавки с заданной величиной удельной поверхности выполняют роль модификаторов структуры и регулируют интенсивность процесса синтеза и морфологию гидросиликатов кальция, а также пористость общую, открытую, закрытую и их соотношения.

Проведена многокритериальная оптимизация состава и режимов твердения по комплексу эксплуатационных свойств. По результатам оптимизации рекомендованы значения удельной поверхности минеральной добавки, технологические режимы и составы, которые обеспечивают получение стеновых материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами: марки по прочности М 75; 100, по морозостойкости – F 15, с=1500;1550 кг/м3, л=0,5; 0,55 Вт/м?К, с Кр= 0,84; 0,86.

Ключевые слова: силикатные материалы безавтоклавного твердения, минеральная добавка, удельная поверхность, механическая и химическая активация, математическое моделирование, экспериментально-статистическая модель, корреляционный анализ, многокритериальная оптимизация.

SUMMARY

Sidorova N.V. Modified non-autoclave hardened siliceous materials. Structure and properties. – Manuscript.

Dissertation research for obtaining a scientific degree of candidate of technical science in speciality 05.23.05 – building materials and articles. – Odessa State Academy of Building and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Odessa, 2004.

This study proves that complex activation of the lime-silica mixture at the stage of preparation makes it possible to improve and hydraulic properties of the mixture and to lower the temperature of calcium hydro silicate formation. It is achieved at the expense of crystallized quartz surface amorphization and acceleration of water molecules dissociation as a result of intensification of external mechanical action in an aqueous medium as well introducing of the mineral admixture (tripoli) in the optimal quantity as a chemically active one as compared with crystallized quartz sand of the component. As a result, a complex chemical activation of the initial mixture provided a decrease of the thermo activation intensity in the process of crystalline hydrate synthesis. Then technological methods used together help us to realize an intrinsic potential of silica-concrete mixture mineral components with the purpose of redaction of the calcium hydro- silicate hydration temperature.

A research on specific surface of mineral admixture conditions influence on physical and mechanical properties of modified non-autoclave hardened siliceous materials was carried out.

These were also determined the conformities of structural characteristics and properties complex changes under specific surface and compounding- technological parameters influence.

Key words: silica materials non-autoclave hardening, mineral admixture, specific