ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Черкасов Костянтин Васильович

УДК 666.973-033.21

ТЕПЛО- І ЗВУКОІЗОЛЯЦІЙНІ ВИРОБИ НА ОСНОВІ

ГІПСОБЕТОНУ

Спеціальність: 05.23.05- будівельні матеріали і вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано | в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури

Науковий керівник: |

доктор технічних наук, професор Бабушкін Володимир Іванович, професор кафедри будівельних матеріалів і виробів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Офіційні опоненти: - | доктор технічних наук, професор Чистяков Валерій Васильович, професор кафедри будівельних матеріалів Київського національного університету будівництва та архітектури

- | кандидат технічних наук, доцент Терехов Борис Пилипович, доцент кафедри фізико-хімічної механіки і технології будівельних матеріалів та виробів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Провідна установа: | Донбаська національна академія будівництва та архітектури, кафедра будівельних матеріалів і виробів

Захист відбудеться “25” січня 2007 р. о 1200 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розіслано “23” грудня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради ________________ О.Ю. Крот

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Застосування теплової ізоляції в промисловому і житловому будівництві вирішує ряд важливих проблем: полегшує будівельну конструкцію, підвищує показники теплоізоляційних виробів, зменшує товщину будівельних огорож, збільшує корисну площу приміщення, покращує звукоізоляцію, створює кращий санітарно-гігієнічний режим приміщення, скорочує терміни будівництва. Теплова ізоляція в житловому будівництві знижує вагу 1 м2 залізобетонної стіни на 60-65 %, а вартість - на 20-25%. У зв'язку з високою потребою в тепло-і звукоізоляційних будівельних матеріалах, екологічно безпечних, з високими фізико-механічними властивостями, найефективнішими з цих позицій є матеріали на основі мінеральних в’яжучих з легкими заповнювачами. Забезпечення будівельного комплексу високоефективними тепло-і звукоізоляційним матеріалами і прогресивними конструкціями теплової ізоляції на основі місцевої мінеральної сировини є важливою задачею. Тому актуальними з теоретичної і практичної точок зору є дослідження, спрямовані на розв’язання проблем, пов’язаних з вибором сировини і виробництвом матеріалів для облаштування тепло-і звукоізоляції в огорожах будівель і споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі будівельних матеріалів і виробів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в рамках держбюджетної НДР Міністерства освіти і науки України № 0106U000162 “Розробка теоретичних основ отримання сухих будівельних сумішей для захисних покриттів проникаючої дії по бетону та залізобетону” на 2006-2008 р.р. і науково-дослідної теми “Рекомендації по виробництву складів піногіпсу підвищеної міцності і водостійкості” 2005-2006 р.р., згідно з угодою № 0653 від 22.03.2005.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є отримання високоефективних тепло-і звукоізоляційних матеріалів і виробів на основі гіпсу підвищеної міцності.

Для досягнення поставленої мети розв'язувалися такі задачі:

- теоретичне обґрунтування підвищення міцності гіпсового в’яжучого;

- теоретичне обґрунтування і експериментальні дослідження коефіцієнтів теплопровідності л в’яжучих та ефективних заповнювачів для легких бетонів;

- розробка складів тепло-і звукоізоляційних матеріалів на основі гіпсу підвищеної міцності і легких мінеральних і органічних заповнювачів;

- дослідження звукоізоляційних властивостей бетону розрахунково-аналітичним методом;

- розробка технології отримання тепло-і звукоізоляційних матеріалів і виробів на основі гіпсу підвищеної міцності;

- вивчення властивостей отриманих тепло- і звукоізоляційних матеріалів і виробів на основі гіпсу підвищеної міцності;

- дослідно-промислове впровадження результатів досліджень та економічне обгрунтовування доцільності отримання тепло- і звукоізоляційних матеріалів і виробів для огороджуючих конструкцій.

Об'єкт досліджень - закономірності формування структури і властивостей тепло- і звукоізоляційних матеріалів і виробів на основі гіпсу.

Предмет досліджень – тепло- і звукоізоляційних будівельний матеріал на основі гіпсу підвищеної міцності і легких заповнювачів.

Методи досліджень. Фізико-механічні властивості досліджувались методами визначення міцності, густини, сорбціонної вогкості за стандартними методиками. Фазовий склад продуктів гідратації гіпсового в’яжучого оцінювали за допомогою диференціально-термічного і рентгенографічного аналізів. Вивчення теплофізичних властивостей в’яжучого, заповнювачів і матеріалів на їх основі проводили за допомогою приладу для вимірювання теплопровідності будівельних матеріалів (ИТСМ) за ГОСТ 7076-87. Діапазон вимірювання теплопровідності становив від 1,5 до 0,025 ВТ/ м •К. Межа похибки вимірювання знаходилась у межах 15 %. Оптимальний склад гіпсобетону визначали методом статистичного планування експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

- Встановлено, що теплопровідність в’яжучих речовин і заповнювачів для бетону знаходиться у зворотньопропорційній залежності від їх молекулярної маси. Це дозволило підібрати ефективний склад теплоізоляційного бетону, де у якості в’яжучого використано гіпс в -модифікації, а у якості легких заповнювачів - гранульований пінополістирол і спучений перліт.

- За допомогою термодинамічних розрахунків обґрунтовано і експериментально підтверджено вибір поліфункціональної добавки, що складається з сульфату алюмінію, вапна і активного кремнезему (SiO2), яка дозволила зміцнити гіпсовий камінь за рахунок синтезу додаткових новоутворень.

- За допомогою рентгенографічного і диференціально-термічного аналізів підтверджено, що за рахунок застосування поліфункціональної добавки при природному твердінні в гіпсовому камені утворюються додатково гідросилікати і гідрогранати кальцію.

Практичне значення отриманих результатів:

- розрахунково-аналітичним методом встановлено, що для гіпсобетонної плити, завтовшки 50 мм і густиною 500 кг/м3 шаруватої структури на пористих заповнювачах при збільшенні частоти звукової хвилі від 100 до 2600 Гц звукоізоляція підвищується відповідно від 57 до 92 дБ;

- методом математичного планування експерименту оптимізовано співвідношення між в’яжучим і заповнювачем в гіпсобетоні;

- розроблена багатошарова структура гіпсобетонних виробів, в якій були враховані умови забезпечення як теплоізоляції, л = 0,049 Вт/м·К, так і звукоізоляції до 92 дБ при максимальній частоті звукової хвилі 2600 Гц;

- аналіз отриманих механічних характеристик гіпсобетону показав, що найбільшу міцність 1,2 МПа, при рівних значеннях коефіцієнта теплопровідності 0,049 Вт/м·К і близьких значеннях густини 500 кг/м3, мають зразки з тришаровою структурою, де середнім шаром є перлітостиролбетон, а граничними – стиролбетон і перлітобетон;

- розроблено технологічний регламент по виробництву тепло-звукоізоляційних блоків на гіпсовому в’яжучому і легких заповнювачах (пінополістиролі і спученому перліті) з межею міцності при стиску 1,2 МПа, коефіцієнтом теплопровідності 0,049 Вт/м·К і густиною 500 кг/м3;

- випущена дослідно-промислова партія блоків з тепло- і звукоізоляційними властивостями на ВАТ Северодонецькому “Азотстрой”.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, впровадженні результатів роботи у виробництво.

Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

- прийняв участь у аналітичних розрахунках по вибору компонентів і складу поліфункціональної добавки [1,7];

- експериментально дослідив мінеральні домішки, що підвищують міцність гіпсових в’яжучих [2];

- обґрунтував і дослідив застосування гіпсу у якості в’яжучого для гіпсобетонів низької теплопровідності [3];

- провів теоретичні і експериментальні дослідження властивостей теплоізоляційних матеріалів [4,9];

- виконав розрахунки акустичних характеристик гіпсобетонних виробів [5, 10];

- провів експериментальні дослідження у виборі хімічних добавок для гіпсового в’яжучого підвищеної міцності [6];

- проводив експериментальні дослідження по визначенню фазового складу гіпсових в’яжучих підвищеної міцності [8].

Апробація результатів дисертації. Основні результати і матеріали дисертаційної роботи доповідалися: на науково-технічній конференції ХДТУБА (2006 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції “Європейська наука XXI століття: стратегія і перспективи розвитку -2006” (м. Дніпропетровськ); на Другій міжнародній науково-технічній конференції “Наукові дослідження і експеримент 2006” (м. Полтава).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 10 друкованих працях, із них 7 – у провідних спеціалізованих виданнях і тезах 2 доповідей на науково-технічних конференціях і одному патенті на винахід.

Структура і обсяг роботи. Дисертація викладена на 120 сторінках машинописного тексту і складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 117 найменувань, містить 28 таблиць, 22 рисунка і 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність вибраної теми, сформульована мета, визначений напрям роботи і коло наукових завдань. Перераховані основні положення, отримані автором, які мають наукову новизну і практичну цінність, а також методи дослідження; показаний зв'язок роботи з науковими програмами і планами.

В першому розділі наведено критичний огляд органічних та неорганічних теплоізоляційних матеріалів та їх фізико-механічні властивості і вимоги, що пред'являються до них. Розглянуті неорганічні теплоізоляційні матеріали на основі мінеральної сировини з характеристикою фізико-механічних властивостей. Представлений огляд мінеральних спучених і полімерних спінених пористих заповнювачів з ефективними теплофізичними властивостями.

У якості в’яжучої речовини розглядався гіпс, оскільки вироби на його основі мають найвищі тепло-і звукоізоляційні характеристики, крім того великі родовища гіпсової сировини знаходяться в Донбаському регіоні.

Наведено критичний огляд виробів на основі гіпсу з їх теплофізичними і акустичними характеристиками, що прийняті в Україні та за кордоном, розглянута динаміка розвитку гіпсової промисловості в провідних країнах світу.

В заключній частині огляду сформульована мета дисертаційної роботи, визначені задачі, які необхідно вирішити в ході її виконання.

В другому розділі приведена характеристика вихідних матеріалів, описані основні методи фізико-механічних випробувань і фізико-хімічного аналізу.

Під час проведення експериментів використано будівельний гіпс (ГОСТ 5.В.2.7-82-99) марок Г-3-Г-10 Артемівського гіпсового комбінату. По термінах схоплювання види будівельного гіпсу , що були використані, відносилися до швидкотверднучим (група А). Як легкі заповнювачі було використано спучений перлітовий пісок, отриманий термообробкою перлітових порід Закарпатського родовища і гранульований пінополістирол, отриманий з суспензійного бісерного полістиролу Горлівського концерну “Стирол” розміром 0,3-1,2мм. Спінювання проводили у закритій порожнині шляхом термообробки на водяній бані, при цьому об'єм гранул збільшувався в 20-30 разів.

При виконанні експериментів було використано аеросил марок 200 і 300 м2/г фірми “Rhodia” та органічна лимонна кислота – для уповільнення твердіння гіпсового в’яжучого, гашене вапно Са(ОН)2 в сухому стані – як джерело кальцію для синтезу міцних і водостійких новоутворень.

Фізико-хімічні дослідження фазового складу продуктів гідратації гіпсового в’яжучого підвищеної міцності ідентифікували за допомогою рентгенофазового аналізу на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-1,5 (використовувалося фільтроване випромінювання Cu-анода) та дериватографа системи Паулік і Ердей. Наважки зразків складали 800 мг, швидкість нагріву дорівнювала 10о за хвилину, зразок нагрівали до 1000 оС. Теплопровідність вихідних матеріалів та отриманих зразків бетону визначали за ГОСТ 7076-87 на приладі для вимірювання коефіцієнту теплопровідності будівельних матеріалів (ИТСМ). Визначення сорбційної вологості зразків проводили по стандартній методиці (ГОСТ 12852-77).

Формування адекватної математичної моделі оптимального складу гіпсобетону здійснювали за допомогою математичних методів дослідження і статистики у вигляді поліноміальних моделей, отриманих методами планування експериментів.

В третьому розділі розглянута можливість управління властивостями тепло – і звукоізоляційних матеріалів у ході проектування їх складів. Дана порівняльна характеристика теплоізоляційних структур.

При створенні і моделюванні теплоізоляційних структур матеріалів були застосовані методи, в основі яких лежить підхід, при якому теплоізоляційні властивості матеріалів розглядаються залежно від того яке місце в таблиці Д. І. Менделєєва займає речовина або група речовин, з яких складається даний матеріал, наприклад, його атомарна маса (молекулярна). Відомо і експериментально доведено, що атомарна (молекулярна) маса речовини знаходяться в зворотно пропорційній залежності до коефіцієнту теплопровідності.

Основну увагу надане вибору в’яжучого. Молекулярна маса гіпсового в’яжучого, основою якого є молекула сульфату кальцію (молекулярна маса 136), більше молекулярної маси силікату кальцію (молекулярна маса 115), основної структурної одиниці цементного каменю. Це дало підставу при виборі в’яжучого віддавати перевагу гіпсовим матеріалам в порівнянні з цементними для отримання виробів з більш високими теплоізоляційними властивостями.

При виборі заповнювачів для бетону було використано той же теоретичний підхід. Експериментальні дослідження показали, що за теплоізоляційними властивостями найефективнішими виявилися ті види заповнювачів, які мають найбільшу молекулярну масу і аморфну структуру. До них відносяться перліт і спінені полімери, наприклад, пінополістирол.

На основі теоретичних досліджень і пошукових експериментів були розглянуті, у якості звуко-і теплоізоляційних виробів, тришарові панелі з легкого гіпсобетону, середньою густиною 500 кг/м3. Звукоізоляцію виробу, при його товщині 50 мм, розрахували від низьких (до 400 Гц) до високих (до 2600 Гц) частот з коефіцієнтом втрат з = 2?10-2 за умови, що коливальна енергія не передається іншим прилеглим будівельним конструкціям. Тоді розрахунок звукоізоляції R (дБ) можна проводити по формулі (1), при цьому було дотримано умови, що середня густина матеріалу не перевищує 1300 кг/м3 :

R = 20 lg(р ?fгр? mn/св? Св) + 25lg (f/fгр) + 10 lg з + 3, (1)

де fгр - гранична частота, Гц;

f – частота коливань звукової хвилі, Гц;

mn – маса виробу, кг;

св – густина повітря при нормальних умовах, кг/м3;

Св – швидкість звукової хвилі в повітрі, м /с;

3 – поправка, яка враховує характер звукового поля при падінні звукової хвилі на перешкоду, дБ.

Граничну, тобто, найменшу частоту, при якій звукова хвиля падає вздовж плити знаходили за формулою (2):

fгр = Св2 /1,8 Сn? h, (2)

де Сn - швидкість звукової хвилі у плиті, м /с;

h - товщина плити, м.

Було отримано графічну залежність розрахованої звукоізоляції від частоти падаючої звукової хвилі.

Підвищення теплоізоляційних властивостей матеріалів значно знижує міцність матеріалів і виробів на їх основі. Регулювати процес підвищення міцності можна шляхом модифікації в’яжучого в бетонних сумішах за допомогою поліфункціональних добавок: активного кремнезему, вапна та сульфату алюмінію. Зокрема, вибрані нами складові добавки у вигляді сульфату алюмінію і вапна були розглянуті з урахуванням усіх, які мають місце, видів і концентрацій частинок в системах Са (ОН)2 – Н2О і Al(OH)3 – H2O. Розглянута можливість прийняти у якості алюмомісткої добавки сірчанокислий алюміній. Але встановлено, що при взаємодії із звичайною водопровідною водою (рН = 7 і більше) він перейде в малорозчинну форму Al(OH)3 і у присутності гіпсового в’яжучого поволі переходитиме в этрингіт у структурі, що склалася. Це приведе до виникнення внутрішніх напруг, а надалі - до руйнування. На основі цього добавку сірчанокислого алюмінію слід вводити у вигляді аніона Al(OH)4-, для чого заздалегідь у воді затворення необхідно створити лужне середовище з рН >10. Для цієї мети використовувалося гашене вапно у кількості, необхідній для створення насиченого розчину (розчинність вапна складає 1,2 г/л). За таких умов етрингіт в модельованій системі утворюватиметься значно раніше, тобто до того моменту, коли сформується структура гіпсового каменя, і це не викличе внутрішніх напруг у готових виробах. Додатково в систему вводилася добавка лимонної кислоти для уповільнення термінів схоплювання гіпсового в’яжучого, а для скріплення вільного вапна, що залишилося, використовувалася добавка аеросилу, який має активну форму кремнієвої кислоти. Взаємодія аеросилу з вапном сприяє утворенню водостійких з'єднань у вигляді низькоосновних гідросилікатів кальцію та інших водостійких новоутворень.

На підставі розрахунків теоретично обґрунтувані нові способи підвищення міцності гіпсу за рахунок використання у якості складових добавки сульфату алюмінію, вапна та активного кремнезему (SiO2).

Рентгенографічні дослідження модифікованого гіпсового каменю (рис. 1) підтвердили, що основним продуктом гідратації є двуводний гіпс CaSO4•2H2O з повним набором характерних для нього дифракційних максимумів: CaSO4 •2H2O (d = 7,13; 4,28; 3,80; 3,07; 2,88; 2,69; 2,23; 2,09; 1,89 Е). Крім того було знайдено гідросилікати кальцію різної основності: некоіт – Са3Si6O12(OH)6•5H2O (d = 9,2; 2,79; 1,83 Е); фошагіт - Ca4(SiO3)•H2O (d = 6,65; 3,36; 2,98 Е); суолуніт - Ca2Si2O5(OH)2•H2O ( d = 4,13; 2,55; 2,49 Е). До того ж, були знайдені гідрогранати кальцію, такі як сколецит - Ca[Al2Si3O10]•3H2O (d = 4,74; 2,88; 2,24 Е); преніт - Ca2Al2[Si3O10](ОН)2 (d = 3,48; 3,079; 2,71; 1,77 Е); маргарит - CaAl2[Si2Al2O10 ](OH)2 (d = 3,18; 2,51; 1,9; 1,46 Е), а також відбитки в-полугідрата, ангідрита и в-кварца: в-CaSO4•0,5H2O (d = 6,0; 2,98 Е); CaSO4 (d = 3,49 Е); SiO2 (d = 3,36 Е).

Рис. 1. Рентгенограма гіпсового каменю с поліфункціональною добавкою

З метою визначення мінерального складу, нами були проведені дослідження модифікованого гіпсу на дериватографі (рис.2) системи Паулік і Ердей . Наважки зразків складали 800 мг, швидкість нагріву відповідала 10є за хвилину, зразок нагрівали до 1000є С.

а) б)

Рис.2. Дериватограми гіпсового каменю

а) – контрольний зразок , б) – зразок гіпсу з поліфункціональною

добавкою

На обох ДТА-кривих присутні термоефекти, що є характерними для двуводного гіпсу CaSO4•2H2O. Подвійний ефект (-)160 оС – дегідратація до напівводного гіпсу CaSO4•0,5H2O. (-)200 оС - повне обезвожування до ангідриту в-CaSO4. Екзоефект (+)460 оС пов’язан з переустроєм кристалічної решітки, з перетворенням нерозчинного ангідриту в-CaSO4 в розчинний г-CaSO4. Ендоефект (-)760 оС належить CaCO3 і пов’язаний з його дисоціацією на CaO и CO2. Термоефекти для обох зразків ідентичні. Ендоефект (-)560 oC присутній у зразка (б) може бути пов’язаний з дегідратацією гідросилікатів кальцію.

Оптимізація складу гіпсобетону виконувалася методом математичного планування експерименту. Вибрані інтервали варіювання перемінних Х1 і Х2 відображали співвідношення об'ємних частин “перліт : стирол” і “(пісок + стирол):гіпс”. Вихідними параметрами оптимізації складу гіпсобетону є коефіцієнт теплопровідності л (Y1) і густина гіпсобетону с (Y2). В результаті отримані рівняння регресії другого порядку, для коефіцієнта теплопровідності і для густини відповідно:

Y1= 0,94+0,94Х2+0,63Х12 – 0,31 Х22;

Y2= -0,09+0,22Х1- 0,21Х2 +0,2Х12 + 0,17 Х22 -0,31Х1Х2.

Побудована поверхня відгуку для Y1 (рис. 3) наочно зображає зміну коефіцієнта теплопровідності від перлітостиролового чинника і відношення суми заповнення до гіпсу.

Рис. 3. Поверхня відгуку в нормованих перемінних для функції теплопровідності (Y1)

Аналогічно було досліджено рівняння регресії для густини с і побудовано поверхню відгуку Y2 (рис.4).

Рис. 4. Поверхня відгуку для функції густини (Y2 )

Щоб визначити оптимальний склад при якому легкий гіпсобетон задовольняє вимогам для коефіцієнта теплопровідності 0,03<л<0,15 рівняння для Y1 було досліджене на локальний екстремум. В результаті отримали єдину точку (0;+1,5) локального максимуму. Для знаходження мінімального допустимого значення для л і враховуючи техніко-економічні можливості, скористалися графічним способом. Побудували проекцію поверхні Y1 на площину Х1 = 0, тобто коли співвідношення об’єму перліту к об’єму стиролу дорівнює 3. (рис. 5).

Рис. 5. Проекція поверхні Y1 на площину Х1 = 0

Оскільки густина гіпсобетону с = 500кг/м3, відповідає нульовому значенню Y2, яке може бути досягнуто при максимальному співвідношенні “перліт + стирол : гіпс”, то оптимальний склад гіпсобетону для густини, яка нас цікавить доцільно підбирати у площині X2=1 (рис.6).

Рис.6. Проекція поверхні Y2 на площину X2=1

Вирішивши сумісну задачу оптимізації для заданого коефіцієнта теплопровідності л = 0,04 і густини с = 500 кг/м3 склад гіпсобетону необхідно підбирати в центрі плану (0,0), тобто коли перлітостиролове відношення за об'ємними частинами дорівнює 3:1 і співвідношення “перліт + стирол : гіпс” - 1:4 за масою.

В четвертому розділі вивчено вплив природи в’яжучого на тепло-і звукоізоляційні властивості легких бетонів. Проведені дослідження теплоізоляційних властивостей гіпсового каменя на б- і в-модифікації підтвердили теоретичні передумови про те, що зразки, виготовлені з гіпсу в-модифікації мають більш низький коефіцієнт теплопровідності, ніж на б –модифікації. Отримані результати досліджень представлені на рис. 7.

Рис. 7. Взаємозв'язок теплопровідності від марки гіпсового

в’яжучого

Підвищення міцності гіпсового каменю можливо шляхом створення умов для синтезу в гіпсовій системі міцних і водостійких сполук, подібно тим, що мають місце в цементному камені: гідросилікати, гідрогранати кальцію і подібні до них.

В результаті проведених розрахунків у системах, описаних у третьому розділі, була встановлена наявність таких видів частинок: Са(ОН)2, Са(ОН)+, Са2+, Al(OH)3, Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al3+, Al(OH)4 –. Визначений вміст різних форм цих частинок залежно від рН приведений в таблицях 1 і 2.

Таблиця 1.

Вміст різних форм вапна в розчині залежно від рН

Форми

вапна | Вміст різних форм вапна в розчині, %, при рН

7 | 8 | 10 | 12 | 13 | 14

Са(ОН)2 | 0 | 0 | 0 | 0,02 | 0,51 | 7,14

Са(ОН)+ | 0,0002 | 0,0017 | 0,168 | 14,37 | 62,38 | 87,04

Са2+ | 99,9998 | 99,9983 | 99,832 | 85,61 | 37,11 | 5,22

Наявність в системі в-полугідрату сульфату кальцію іонів Са2+ у кількості 0,776х10-2 г-і/л при рН > 7 та аеросилу сприяє процесу утворення гідросилікатів кальцію за імовірними реакціями:

3Ca(OH)2 + 6H4SiO4 + 11H2O = Ca3Si6O12(OH)6 ·5H2O + 18H2O

2Ca(OH)2 + 2H4SiO4 + H2O = Ca2Si2O5(OH)2 ·H2O + 5H2O

Таблиця 2.

Вміст різних форм алюмінію в розчині залежно від рН

Форми

алюмінію | Вміст різних форм алюмінію в розчині, %, при рН

4 | 6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 13 | 14

Al(OH)2 + | 0,42 | 40,02 | 8,82 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

Al(OH) 2+ | 9,05 | 8,7 | 1,48 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

Al 3+ | 90,53 | 0,87 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

Al(OH)3 | 0 | 50,31 | 89,7 | 61,52 | 1,57 | 0,01 | 0 | 0

Al(OH)4 – | - | - | - | 38,48 | 98,43 | 99,99 | 100 | 100

Наявність у системі в-полугідрату сульфату кальцію іонів Al(OH)4 – при значеннях рН > 8 викликає утворенню гідроалюмінатів кальцію.

Завдяки науковому, теоретично обгрунтованому підходу до вибору складових поліфункціональної добавки було отримане гіпсове в’яжуче з міцністю, що перевищує більш, ніж в 3 рази марочну, рис. 8.

Рис. 8. Підвищення міцності низькомарочного гіпсу за рахунок використання поліфункціональної добавки

Запропоновано багатошарову конструкцію гіпсобетонних виробів, в якій були враховані умови забезпечення як теплоізоляції, так і звукоізоляції. Багатошарова структура представлена матрицею з модифікованого поліфункціональною добавкою гіпсу і двома видами заповнювачів: спученого перліту і гранульованого пінополістиролу.

Звукоізоляційні характеристики такого бетону товщиною 50 мм визначені за допомогою розрахунково-аналітичного методу і представлені на рис.9.

Рис. 9. Звукоізоляційні характеристики гіпсобетону за частотними

характеристиками.

Отримана графічна залежність дає можливість оцінити ефективність звукоізоляції розробленого гіпсобетону від частоти звукової хвилі і порівняти їх з нормативними даними по шумоізоляції у відповідності до діючої глави 4, табл. 1 „СНиП II-12-77 “Защита от шума””.

Оптимально підібрано наступний склад гіпсобетону за коефіцієнтом теплопровідності л=0,049 Вт/м·К і густиною с = 500 кг/м3, з використанням поліфункціональної добавки: перліто-стиролове співвідношення за об’ємом складає 3:1; співвідношення заповнювачів до в’яжучого по масі дорівнює 1:4; СаОН2 – 0,71%; Al2(SO4)3 – 1.02%; аеросил – 0,12%. Такий склад дозволив отримати тепло-і звукоізоляційний гіпсобетон з нормованою міцністю класу В1.

В п'ятому розділі представлена методика та результати експериментальних досліджень теплопровідності легких гіпсобетонів і їх компонентів (таблиці 3 і 4).

Таблиця 3.

Коефіцієнти теплопровідності вихідних матеріалів

№

п/п | Найменування матеріалу | Середня густина,

кг/м3 | Коефіцієнт теплопровідності,

Вт/м?К

1 | Гіпсовий камінь (в-форма), Г- 4 | 1220 | 0,399

2 | Гіпсовий камінь (б-форма), Г-10 | 1305 | 0,642

3 | Гіпсовий камінь підвищеної міцності, Г-15 | 1331 | 0,648

4 | Цементний камінь (ПЦ-400) | 2114 | 0,921

5 | Перлітовий пісок | 170-260 | 0,061-0,074

Продовження табл. 3

6 | Перлітовий щебінь | 150-250 | 0,055-0,063

7 | Гранульований пінополістирол | 50 | 0,031

Таблиця 4.

Коефіцієнти теплопровідності легких гіпсобетонів

№

п/п |

Найменування матеріалу | Середня

густина,

кг/м3 | Коефіцієнт теплопровідності, Вт/м?К

1 | Гіпсобетон на перлітовому

піску |

560 | 0,056

2 | Гіпсобетон на перлітовому щебені |

510 | 0,053

3 | Гіпсобетон на гранульованому пінополістиролі |

440 | 0,051

4 | Шаруватий гіпсобетон на перлітовому щебені і гранульованому пінополістиролі |

500 | 0,049

За результатами таблиці видно, що найвищі теплоізоляційні властивості має шаруватий гіпсобетон на гранульованому пінополістиролі і перлітовому щебені. Це пояснюється більшим ущільненням легкого заповнювача в структурі бетону і зменшенням вмісту матричного матеріалу у вигляді гіпсового каменю. На підставі вищевикладеного було запропоновано багатошарову конструкцію гіпсових виробів, де були враховані вимоги по забезпеченню як тепло, так і звукоізоляції. Структура такого гіпсобетону складається з трьох шарів: на спученому перліті, на спученому перліті і гранульованому пінополістиролі та гранульованому пінополістиролі.

Аналіз механічних характеристик гіпсобетону показав, що найбільшу міцність, при однакових значеннях коефіцієнта теплопровідності і близьких значеннях густини, мають зразки з тришаровою структурою, яка утворюється завдяки спливанню пінополістиролу і осіданню спученого перліту у розчині гіпсу. При цьому середнім шаром у такій структурі є шар із спученого перліту та спіненого полістиролу. Отримані результати приведені на рис. 11.

Рис. 11. Залежність міцності шаруватих гіпсобетонів від структури і виду гіпсового в’яжучого:

А- 2 шари (перлітобетон + стиролбетон); Б – 3 шари (стиролбетон+ перлітостиролбетон+перлітобетон); В - шар (перлітобетон).

Як видно з рис. 11 найбільшу міцність, при однаковій теплопровідності і близьких значеннях густини, має склад з тришаровою структурою із середнім шаром із перлітостиролбетону (Б).

Таким чином, отримані результати підтверджують, що розроблений склад тепло- звукоізоляційного шаруватого гіпсобетону (типу Б) задовольняє вимогам ГОСТ 25485-89 (“ Бетоны ячеистые. ТУ”) і відповідають по густині марці Д500, а по міцності класу В1,0, що відносить його до бетонів конструкційно-теплоізоляційних. За теплотехнічними характеристиками отриманий гіпсобетон має коефіцієнт теплопровідності 0,049 Вт/м·К, що перевершує вимоги вищезгаданого стандарту ( л = 0,1 –0,12 Вт/м К) в 2 рази.

У зв'язку з вищевикладеним в роботі була запропонована технологія виробництва виробів з легких шаруватих гіпсобетонів тришарової структури типу Б. Технологія виробництва тепло-і звукоізоляційних виробів з легкого гіпсобетону шаруватої структури розроблена для стандартного устаткування за технологією лиття. Технологічний процес виробництва гіпсобетонних виробів може бути впроваджений на вже існуючій лінії бетонів на пористих заповнювачах і включає такі етапи:

- дозування сухих компонентів: гіпсу, заповнювачів (спученого перліту і гранульованого пінополістиролу);

- перемішування гіпсу із заповнювачем;

- приготування бетонної суміші;

- формування виробів;

- розпалубка виробів;

- транспортування і складування виробів.

Під час переходу підприємства на випуск виробів з гіпсобетону шаруватої структури замість виробів з керамзитобетону при тому ж об'ємі 2500 м3 на рік розрахунковий економічний ефект склав 205,5 тис. грн.

ВИСНОВКИ

1. Аналітично обґрунтовано і експериментально підтверджено, що теплопровідність в’яжучих речовин і легких заповнювачів для бетонів знаходитися в зворотно пропорційній залежності від їх молекулярних мас.

2. Експериментально підтверджено, що у гіпсового каменя в-модифікації коефіцієнт теплопровідності 0,4 Вт/м К, що у два рази менше ніж у цементного. Це дає перевагу для отримання з нього виробів з більш високими теплоізоляційними властивостями.

3. При експериментальному визначенні коефіцієнта теплопровідності легких сипких заповнювачів встановлено, що найефективнішими є заповнювачі з аморфною структурою і більш високою молекулярною масою: спучений перліт і гранульований пінополістирол.

4. Розрахунково-аналітичним методом встановлено, що для гіпсобетонної плити, завтовшки 50 мм і густиною 500 кг/м3 шаруватої структури на пористих заповнювачах із спученого перліту і гранульованого пінополістиролу при частоті падаючої звукової хвилі від 100 до 2600 Гц звукоізоляція підвищується відповідно від 56 до 92 дБ.

5. За допомогою експериментальних досліджень встановлено, що гіпс в-модифікації має менший коефіцієнт теплопровідності 0,4 Вт/м К, ніж гіпс б-модифікації - 0,65 Вт/м К, при однаковому водогіпсовому відношенні.

6. Проведені дослідження підтвердили теоретичні передумови, що запропонований склад гіпсового в’яжучого з використанням як добавок сульфату алюмінію, вапна і активного кремнезему (SiO2) має підвищену міцність Rст. = 14кг/м3 (що у 3 рази більше марочної Rст. = 4кг/м3).

7. Вибрані добавки: сульфат алюмінію, вапно і аеросил дозволили синтезувати в гіпсовому камені протягом 28 діб природного твердіння гідросилікати і гідрогранати кальцію, що підтверджено фізико-хімічними дослідженнями.

8. Розроблено багатошарову конструкцію гіпсобетонних виробів, в якій були враховані умови забезпечення як теплоізоляції, л = 0,049 Вт/м К, так і звукоізоляції від R= 92дБ при максимальній частоті падаючої звукової хвилі 2600Гц.

9. Аналіз отриманих механічних характеристик гіпсобетону показав, що найбільшу міцність 1,2 МПа, при рівних значеннях коефіцієнта теплопровідності 0,049 Вт/м К і близьких значеннях густини 500 кг/м3, мають зразки з тришаровою структурою, де середнім шаром є перлітостиролбетон, а граничними – шари бетону на спученому перліті та пінополістиролі.

10. Розроблено технологію виготовлення виробів з використанням стандартного обладнання: бетонозмішувача, автоматичних дозаторів та стрічкових конвеєрів.

11. В роботі отримано розрахунковий річний економічний ефект - 205500 грн. під час переходу підприємства на випуск виробів з гіпсобетону замість керамзитобетону за рахунок зменшення витрат на матеріали та зниженого використання енергоресурсів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кондращенко О.В., Бабушкин В.І., Вишев О.В., Черкасов К.В., Бондаренко О.І., Гіпсові сухі будівельні суміші // Науковій вісник будівництва. – Харьків : ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2005.-Вип. 31.-С.103-107.

2. Кондращенко О.В., Бабушкин В.І., Черкасов К.В., Костюк Т.О. Теоретичне обгрунтування вибору мінеральних добавок в гіпсових композиціях // Вісник НТУ “ХПІ”. –Харьков : НТУ “ХПІ”, 14’2005.-С.78-82.

3. Кондращенко О.В., Бабушкин В.І., Черкасов К.В., Костюк Т.О. Легкі гіпсові в’яжучі для виробів низької теплопровідності// Науковій вісник будівництва.- Харьків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2005.-Вип. 32.-С.88-91.

4. Черкасов К.В., Бабушкин В.І., Казимагомедов І.Е., Костюк Т.О. Оцінка властивостей гіпсових теплоізоляційних конструкцій //Комунальне господарство міст, 2006.-№72

5. Черкасов К.В., Бабушкин В.І., Кондращенко О.В., Костюк Т.О. Вивчення акустичних властивостей гіпсових виробів методом обчислювального експерименту // Вісник НТУ “ХПІ”.-Харьков:НТУ “ХПІ”, 11’2006.-С.111-114.

6. Черкасов К.В., Бабушкин В.І., Костюк Т.О., Кондращенко О.В. Застосування гіпсобетонних перегородок в умовах підвищеної вогкості // Науковій вісник будівництва.- Харьків:ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2006.-Вип. 36.-С.82-86.

7. Патент України № 2642 від 15.04.2004 “Гіпсове в’яжуче підвищеної міцності і водостійкості”/ Бабушкін В.І., Кондращенко О.В., Черкасов К.В., Бондаренко Д.О.

8. Черкасов К.В. Физико-химические исследования фазового состава продуктов гидратации гипса с полифункциональной добавкой // Науковій вісник будівництва.- Харьків:ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2006.-Вип. 37.-С.105-109.

9. Бабушкин В.И., Черкасов К.В., Казимагомедов И.Э. Исследование теплоизоляционных свойств гипсобетонных материалов и их составляющих // Тези доповідей другої міжнародної науково-практичної конференції: Дні науки – 2006.- Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006.- С.23-25.

10. Бабушкин В.И., Черкасов К.В., Костюк Т.О., Кондращенко О.В. Звукоизоляционные материалы на основе модифицированного гипса // Тези доповідей 2 міжнародної науково-практичної конференції: Наукові дослідження та експеримент 2006.- Полтава, 2006.- Том 6.- С.9-13.

АНОТАЦІЯ

Черкасов К.В. Тепло- і звукоізоляційні вироби на основі гіпсобетону. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали і вироби. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2006.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки складів легкого бетону з метою створення на його основі ефективних тепло- і звукоізоляційних матеріалів.

В роботі викладено результати теоретичних та експериментальних досліджень щодо удосконалення методів вибору компонентів для теплоізоляційних бетонів. Експериментально доведено, що найбільш ефективним в’яжучим для теплоізоляційних бетонів є гіпсове в’яжуче в-модифікації. Теоретично розраховано та експериментально підтверджено, що підвищення міцності структури гіпсового каменю відбувається за рахунок додаткового синтезу гідросилікатів та гідрогранатів кальцію при введенні у склад гіпсового в’яжучого комплексної добавки.

Підібрано оптимальний склад гіпсобетонів на пористих заповнювачах з покращеними фізико-механічними властивостями. Доведено економічну ефективність їх виробництва.

Ключові слова: теплоізоляційні бетони, гіпсові в’яжучі, поліфункціональна добавка, теплопровідність, міцність.

АННОТАЦИЯ

Черкасов К.В. Тепло- и звукоизоляционные изделия на основе гипсобетона. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2006.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки состава легкого бетона с целью создания на его основе эффективных тепло- и звукоизоляционных материалов.

В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию методов выбора компонентов для теплоизоляционных бетонов. Экспериментально доказано, что наиболее эффективными вяжущими для получения теплоизоляционных бетонов с высокими теплофизическими характеристиками (л = 0,050 Вт/м К) является гипс в - модификации повышенной прочности.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что повышение прочности гипсового камня происходит за счет синтеза гидросиликатов и гидрогранатов кальция при введении в состав гипсового вяжущего полифункциональной добавки. Основные компоненты добавки представлены сульфатом алюминия, известью и микрокремнеземистым компонентом в виде аэросила. С помощью физико-химического анализа подтверждено отсутствие “вредных новообразований” (гидросульфоалюмината кальция и таумасита), которые могут привести к разрушению гипсобетона в процессе эксплуатации изделий. Доказано, что благодаря направленному формированию структуры бетона возможно разрешить проблему получения теплоизоляционных изделий, теплопроводностью л=0,050 Вт/м К, средней плотностью с = 500 кг/м3 и классом по прочности В1,0. Получена математическая зависимость, дающая возможность оценить эффективность шумозащиты материала при различных частотах звуковой волны.

Предложена многослойная конструкция гипсовых изделий, в которой были учтены условия обеспечения как теплоизоляции, так звукопоглощения. Слоистая структура таких изделий представлена матрицей из водостойкого гипса и двумя видами заполнителей в виде вспученного перлита и гранулированного пенополистирола.

Анализ полученных механических характеристик гипсобетона показал, что наибольшей прочностью, при равных значениях коэффициента теплопроводности и близких значениях плотности, обладают образцы с трехслойной структурой, где средним слоем является перлитостиролбетон.

Разработана технология изготовления изделий, включающая стандартное оборудование, что облегчает переход на изготовление предложенного вида изделий для существующих предприятий.

В работе получен годовой экономический эффект, составляющий 205500 грн. при переходе предприятия на выпуск изделий из гипсобетона слоистой структуры литьевым методом.

Установлен оптимальный состав гипсобетона на пористых заполнителях с улучшенными теплофизическими, механическими и звукоизоляционными характеристиками. Доказана эффективность их внедрения в производство.

Ключевые слова: тепло – и звукоизоляционный бетон, гипсовое вяжущее, полифункциональная добавка, коэффициент теплопроводности, прочность.

ANNOTATION

Chercasov K.V. Warmyl and sound-proof wares which basis of proof concrete. – Manuscript. Thesis for candidate of engineering sciences in speciality 05.23.05 - build materials and wares. Kharkov state technical university of building and architecture, Kharkov, 2006.

The work is devoted to the questions to development of compositions of easy concrete with the purpose of creation on his basis of effective warmly and sound proof materials.

In work the results of theoretical and experimental researches are laid out, in relation to the improvement of methods from the choice of components for warmly isolation concretes. Experimentally it is led to, that for warmly isolation concretes the gypsum astringent в-modifications is most effective astringent. In a theory it is calculated and it is experimentally confirmed, that the rise of durability of structure of gypsum to the stone takes place due to the additional synthesis of waters silicates calcium at introduction to composition of gypsum astringent complex addition.

Optimum composition of gypsum concretes is neat on porous fillers with the improved physic-mechanical properties. It is led to economic efficiency of their production.

Keywords: warmyl proof concretes, gypsum, many functional addition, heat conductivity, durability.

Підписано до друку 10.10.2006 р. Формат 60x84 1/16

Умов. друк. арк. 1,16 Друк різографія.

Зам. № 255-2006 Тираж 100 прим.

Надруковано з готового оригінал-макету

ТОВ НВП "ІНФОТЕХ-СЕРВІС ЛТД" 61012, м. Харків, вул. Полтавський шлях, 19, кімн, 10