ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

МАРТИНОВА Віта Борисівна

УДК 666.965:541.183

МОДИФІКОВАНИЙ НЕАВТОКЛАВНИЙ ГАЗОПОЛІСТИРОЛБЕТОН З ПІДВИЩЕНИМИ ФІЗИЧНИМИ ТА МЕХАНІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

05.23.05 – будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Зайченко Микола Михайлович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький державний технічний університет, завідувач кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент

Мартинов Володимир Іванович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри виробництва будівельних виробів та конструкцій.

Захист відбудеться “26” червня 2008 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Україна, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I учбовий корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури: 86123, Україна, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

Автореферат розісланий “23” травня 2008 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні вимоги до енергоефективної експлуатації житлових та цивільних будівель обумовлюють необхідність розробки і використання у складі огороджувальних конструкцій легких та ніздрюватих бетонів з високими теплозахисними властивостями, зокрема газобетону. Такі бетони повинні характеризуватися й підвищеними міцнісними та деформаційними показниками якості. Це досягається при твердненні виробів з газобетону за умов запарювання в автоклавних установках, але при цьому значно зростає собівартість виробів. Газобетони неавтоклавного тверднення характеризуються значно меншими енерговитратами, однак відносно високі показники фізико-механічних властивостей забезпечуються лише для виробів з середньою густиною бетону вище 600 кг/м3 (марка Д 600), що обумовлює зростання коефіцієнту теплопровідності.

Основа сучасної технології бетону ґрунтується на створенні якісного штучного каменю, що відрізняється високою дисперсністю, низькою дефектністю та сталістю структури, на основі якої можуть бути створені різні за призначенням бетони шляхом украплення в структуру додаткових складових та її модифікації. Використання у складі газобетонної суміші з розрахунковою густиною 800-900 кг/м3 гранул спіненого полістиролу як заповнювача дозволить одержувати газополістиролбетони марок Д 400-Д 600. Достатньо висока структурна в'язкість газобетонної суміші з розрахунковою густиною 800-900 кг/м3 забезпечує рівномірний розподіл гранул по всьому перерізу виробів, що є суттєвою проблемою при формуванні полістиролбетонів за вібраційною технологією. Модифікування структури газобетонної матриці органо-мінеральною добавкою та активацією суміші високовольтним електричним полем на стадії спучування дозволить одержати ефективні газополістиролбетони з підвищеними фізичними та механічними властивостями.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались згідно з напрямками реалізації "Програми науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 р." у межах науково-технічного проекту "Ресурсозберігаючі технології переробки мінеральних відходів промисловості Донбасу в ефективні будівельні матеріали та вироби", а також відповідно до держбюджетної науково-дослідної теми на замовлення Міністерства освіти і науки України "Розробка наукових, технічних та технологічних засад для створення бетонних та залізобетонних конструкцій, будівельних виробів з високими фізико-механічними та експлуатаційними властивостями" (2006-2008 рр., № 0106U002949).

Автор дисертації є виконавцем НДР.

Метою роботи є розробка складів і технології неавтоклавного газополістиролбетону з підвищеними фізичними та механічними властивостями на основі встановлення закономірностей структуроутворення газобетонної суміші, комплексно модифікованої високовольтною електростатичною поляризацією та органо-мінеральною добавкою.

Задачі досліджень:

- дослідити вплив параметрів високовольтної електростатичної поляризації на процес формування структури газобетонної суміші, склад продуктів гідратації комплексного в'яжучого газобетону;

- оптимізувати параметри високовольтної електростатичної поляризації газобетонних сумішей на стадії інтенсивного спучування;

- визначити фізичні та механічні властивості газобетонів, активованих у високовольтному електростатичному полі на стадії інтенсивного спучування суміші;

- встановити оптимальні склади газополістиролбетону за витратами заповнювача – гранул спіненого полістиролу, та добавки-модифікатора за критеріями міцності бетону при стиску та середньої густини;

- визначити фізичні та механічні властивості газополістиролбетонів оптимальних складів, активованих у високовольтному електростатичному полі на стадії інтенсивного спучування суміші;

- виконати виробничі випробування способу високовольтної електростатичної поляризації газополістиролбетонних сумішей та визначити його техніко-економічному ефективність;

- розробити технічні умови та технологічний регламент виробництва блоків стінових дрібноштучних з газополістиролбетону неавтоклавного тверднення.

Об’єкт дослідження – модифікований неавтоклавний газобетон та газополістиролбетон.

Предмет дослідження – закономірності процесу структуроутворення газополістиролбетонної суміші, модифікованої органо-мінеральною добавкою, під впливом високовольтної електростатичної поляризації.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано за допомогою стандартних та спеціальних методів з використанням атестованих засобів вимірювальної техніки та випробувального обладнання. Процеси структуроутворення газобетонних сумішей досліджено комплексними методами: високочастотної кондуктометрії, діелькометрії, рН-метрії, пластометрії та акустичного резонансу. Склад продуктів гідратації каменю в'яжучого визначено за допомогою дериватографічного та рентгенофазового методів фізико-хімічного аналізу, інфрачервоної спектроскопії. Оптимізацію параметрів високовольтної електричної поляризації газобетонних сумішей та складу газополістиролбетону проведено з використанням математичних моделей (програма “Astat 2.0” в середовищі “MathCAD for Windows”). Для обробки і аналізу результатів експериментів застосовано методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- теоретично й експериментально обґрунтовано можливість використання у складі газобетонної суміші заповнювача у вигляді гранул спіненого полістиролу, що забезпечує одержання ефективного ніздрюватого газополістиролбетону, який характеризується підвищеними фізичними та механічними властивостями;

- встановлено, що високовольтна електростатична поляризація газобетонних сумішей, що являють собою дисперсні системи типу "Т-Р-Г" (тверде – рідке – газоподібне), на стадії інтенсивного спучування призводить до прискорення процесів газовиділення, розчинення клінкерних мінералів, підвищення ступеня гідратації комплексного в’яжучого, а органо-мінеральна добавка сприяє зв'язуванню вільного вапна у низькоосновні гідросилікати кальцію;

- визначено оптимальні параметри високовольтної електростатичної поляризації газобетонних сумішей на стадії інтенсивного спучування, що дозволяє інтенсифікувати процеси структуроутворення, підвищити межу міцності газобетону при стиску (середня густина 800-900 кг/м3) на 15-22;

- розроблено оптимальні склади газобетону з заповнювачем у вигляді гранул спіненого полістиролу та органо-мінеральним модифікатором, що у сукупності з оптимальними параметрами електричної активації дозволяє одержати газополістиролбетон, який у порівнянні з контрольним газобетоном (не модифікованим) такої ж марки за середньою густиною характеризується підвищеними фізичними та механічними властивостями (межа міцності при стиску вище на 74морозостійкість – на дві марки; коефіцієнт теплопровідності нижче на 38; деформації усадки при висиханні – на 56, водопоглинення на 67).

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено технологічний регламент виробництва блоків стінових дрібноштучних з газо(полістирол)бетону неавтоклавного тверднення, який передбачає в операційній структурі технологічного процесу електричну активацію газо(полістирол)бетонних сумішей на стадії інтенсивного спучування (впроваджено "Данко ІЗОЛ Докучаєвський ЗТВ", м. Докучаєвськ);

- розроблено технічні умови ТУ У В.2.7-26.6-30664457- :2008 (дослідна партія) "Вироби газобетонні з заповнювачем зі спіненого полістиролу неавтоклавного тверднення";

- виконано техніко-економічну оцінку ефективності застосування неавтоклавного газополістиролбетону в конструкції огороджувальних стін надбудови над другим поверхом медичного центру по вул. Краснознаменівська, 164, м. Харцизьк Донецької області з розробкою енергетичного паспорту (проект № 107-56 ГС-АС). Вартість 1 м2 конструкції зовнішньої стіни запропонованого варіанту складає 393,0 грн. (загальний кошторис огороджувальних конструкцій – 64,7 тис. грн.), базового варіанту – 478 грн. (78,6 тис. грн.);

- одержано патенти України № "Спосіб виготовлення газобетонних виробів"; № "Спосіб виготовлення газополістиролбетону".

Особистий внесок здобувача полягає у виконані експериментальних досліджень, обробці та інтерпретації одержаних даних, розробці нормативно-технічної та технологічної документації, впровадженні результатів досліджень у виробництво з визначенням техніко-економічної та експлуатаційної ефективності запропонованих рішень. Окремі складові експериментальних досліджень, а також впровадження результатів дисертаційної роботи, розробку технологічного регламенту та технічних умов виконано зі співавторами наукових праць, що викладено у списку публікацій.

Апробація дисертаційної роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на I, II, IV, V міжнародних наукових конференціях студентів, аспірантів і молодих вчених "Застосування нових матеріалів, конструкцій, технологій при вирішенні екологічних проблем природокористування та охорони навколишнього середовища" (Макіївка, 2002 р., 2003 р., 2005 р., 2006 р.); науковій конференції, присвяченій 85-річчу Національної академії наук України (Донецьк, 2003 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Композиційні матеріали підвищеної довговічності для будівництва" (Макіївка, 2004 р.), науково-технічних семінарах "Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних будівельних матеріалів і конструкцій" (Одеса, 2005 р., 2006 р.); 45-му міжнародному семінарі з моделювання та оптимізації композитів – МОК’45 "Компьютерное материаловедение и обеспечение качества" (Одеса, 2005 р.); V науково-технічній конференції "Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди" (Рівне, 2006 р.); II міжнародній науково-технічній конференції "Екологія промислових регіонів" (Луганськ, 2008 р.).

Дослідні зразки блоків з газополістиролбетону були представлені на виставці з будівництва "Архітектура і будівництво" у Донецькому виставковому комплексі "ЕКСПО-Донбас" – лютий 2008 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано дев'ять статей у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України (три статті одноосібно), одержано два патенти України на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури з 164 найменувань на 16 сторінках і трьох додатків на 51 сторінці. Містить 208 сторінок, у тому числі 130 сторінок основного тексту, 38 рисунків, 33 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дисертаційного дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення роботи, приведено інформацію щодо структури та обсягу дисертації, публікацій та апробації роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан питання з напрямку теми дисертації, викладено теоретичні передумови досліджень, на основі яких сформульовано наукові гіпотези роботи.

Аналіз публікацій провідних вітчизняних та зарубіжних учених в області будівельного матеріалознавства свідчить про те, що у сучасному будівництві все більше використання знаходять матеріали, що характеризуються високими теплозахисними властивостями при достатньо високій міцності та довговічності. Серед таких матеріалів найбільш ефективними залишаються ніздрюваті бетони, зокрема газобетони. Результатом наукових досліджень вчених і наукових колективів, що виконані під керівництвом А.Т. Баранова, П.І. Боженова, В.М. Вирового, К.В. Гладких, К.Е. Горяйнова, С.К. Горяйнової, В.С. Завадського, А.І. Іванова, М.Я. Кривицького, Г.Я. Кунноса, В.Х. Лапса, Н.І. Левича, В.А. Лотова, В.В. Макаричева, В.Е. Миронова, Н.П. Сажнєва, Г.П. Сахарова, І.Б. Удачкіна й ін., є сучасні технології, що дозволяють одержувати ніздрюваті бетони різної середньої густини з високими показниками якості. В той же час серед загальної номенклатури продукції з ніздрюватих бетонів найбільш значна частка за об'ємами виробництва припадає на вироби з середньою густиною 600-700 кг/м3. У зв'язку з інтенсивним розвитком каркасно-монолітного будівництва та підвищенням вимог до теплофізичних властивостей огороджувальних конструкцій перспективними є дослідження, що спрямовані на розробку складів і технології неавтоклавних поробетонів з середньою густиною 500 кг/м3 і нижче. За цим напрямком наразі виконуються наукові дослідження вітчизняних та зарубіжних вчених: В.Є. Величка, В.Г. Довжика, В.А. Лотова, В.І. Мартинова, В.О. Мартиненка, А.А. Пак, Г.П. Сахарова, Ю.Д. Чистова, О.О. Шишкіна, Я.Б. Якимечка, A.U.J.R.Uday K.й ін. Професором Баженовим Ю.М. показано, що зниження середньої густини бетонів досягається за рахунок підвищення ступеня повітронаповнення їх структури, що полягає у використанні особливо легких пористих заповнювачів, які характеризуються низькою теплопровідністю. За цим напрямом розроблено низку ефективних поробетонів, що містять у своєму складі як заповнювач зольні мікросфери (Я.Б. Якимечко), склогрануляти (А.М. Давидюк), гранули спіненого полістиролу (Г.П. Сахаров) тощо. Встановлено, що полістиролбетон середньої густини 200-500 кг/м3 досягає міцності неавтоклавного піно- та газобетону, які мають значно вищі показники середньої густини та міцності міжпорових перегородок, що свідчить про переважаючу конструктивну роль гранул спіненого полістиролу у створенні міцності полістиролбетонів. Підвищення коефіцієнту конструктивної якості полістиролбетонів може бути досягнуто за рахунок зміцнення цементної матриці з одночасним збільшенням ступеня її поризації. Так, використання у складі газобетонної суміші з розрахунковою густиною 800-900 кг/м3 гранул спіненого полістиролу як заповнювача дозволить одержувати газополістиролбетони марок Д Д з високими теплозахисними властивостями.

Недоліком таких бетонів є низька міцність зчеплення гранул спіненого полістиролу з газобетоном, яка обумовлена гідрофобними властивостями поверхні полімерних частинок, та невисока міцність міжпорових перегородок. Вирішення цих проблем може бути досягнуто за рахунок комплексного модифікування структури бетону органо-мінеральною добавкою, що складається з аморфного мікрокремнезему і суперпластифікатору С-3, та електростатичною активацією газобетонної суміші. У раніше виконаних дослідженнях встановлено позитивний вплив високовольтної електростатичної поляризації бетонних сумішей, що являють собою системи типу "Т-Р", на процеси структуроутворення та тверднення бетонів, підвищення їх фізико-механічних властивостей (В.А. Матвієнко, М.М. Зайченко, Г.В. Шамріна). В той же час вплив електричного поля на структуроутворення газобетонних сумішей, що являють собою системи типу "Т-Р-Г", практично не досліджено, а його ефективність для таких систем має бути більш високою. Це пов'язано з тим, що у процесі утворення ніздрюватої структури відбувається перерозподіл між водою, структурованою дисперсними частинками твердої фази, водою, що межує з газовою фазою, та вільною водою, яка розподілена у міжчастковому просторі і на ділянках твердої та газової фаз. Окрім того, активація цементних систем за нестаціонарними режимами (зміна температури суміші, наявність хімічних модифікаторів, період інтенсивного газоутворення) дуже сильно впливає на фізико-хімічні процеси фазо- та структуроутворення (Г.В. Вагнер).

На підставі аналізу наукових досліджень, виконаних раніше, механізм комбінованого (хімічного та електрофізичного) модифікування структури газополістиролбетонних сумішей узагальнено у вигляді наступних наукових гіпотез:

- суперпластифікатор С-3, що міститься в органо-мінеральній добавці, як поверхнево-активна речовина, підвищить ступінь гідрофільності поверхні гранул спіненого полістиролу, дозволить знизити водопотребу сумішей, що забезпечить підвищення адгезійно-когезійної міцності газополістиролбетону;

- мінеральна складова органо-мінеральної добавки, що представлена переважно аморфним діоксидом кремнію, забезпечить підвищення міцності міжпорових перегородок в результаті хімічної взаємодії гідроксиду кальцію з оксидом кремнію з утворенням низькоосновних гідросилікатів кальцію;

- під впливом високовольтної електростатичної поляризації газобетонної суміші має відбуватися зміна концентрації активних поверхневих центрів частинок твердої фази і, відповідно, зміна їх електричних властивостей та сфер дальнодіючого впливу на граничні шари рідини, що призведе до інтенсифікації процесів розчинення клінкерних мінералів та структуроутворення газобетонних сумішей;

- високовольтне електростатичне поле змінюватиме енергію взаємодії частинок, що обумовлено поляризацією діелектрика (частинок твердої фази) та дисперсійного середовища і, як наслідок, появою індукованого дипольного моменту та виникненням диполь-дипольного притягання між частинками – це повинно підвищити міцність первинних міжчасткових контактів в системі.

У другому розділі для вирішення поставлених у роботі задач розроблено блок-схему лабораторних і виробничих досліджень (рис. ), що включає три послідовні блоки: І – дослідження впливу параметрів електростатичної поляризації газобетонних сумішей на процеси структуроутворення та тверднення газобетону, їх оптимізація; ІІ – розробка та оптимізація складів газополістиролбетону, дослідження впливу комбінованого модифікування – хімічного (органо-мінеральною добавкою) та електрофізичного (високовольтною електростатичною поляризацією), на структуру та властивості газополістиролбетону; ІІІ – розробка технологічної та нормативно-технічної документації, впровадження результатів дослідження у виробництво.

При проведені експериментів як вихідні матеріали прийнято:

- комбіноване в’яжуче – портландцемент ПЦ І-500-Н – ВАТ "Балцем", м. Балаклія; вапно мелене першого сорту (питома поверхня 36010 м2/кг);

- кремнеземистий компонент – зола-винесення Курахівської ДРЕС (питома поверхня 32010 м2/кг);

- заповнювач – гранули спіненого полістиролу (відхід виробництва пінополістирольних плит) Донецького заводу ВАТ "Ізоляція";

- газоутворювач – алюмінієва пудра ПАП-2 (для зняття парафінової плівки при приготуванні водної суспензії використовували сульфанол);

- модифікатор – органо-мінеральна добавка у вигляді порошкоподібної композиційної речовини, мінеральна частина якої складається з мікрокремнезему Стаханівського заводу феросплавів, а органічна частина представлена суперпластифікатором С-3 (ТУ 2481-001-51831493-00).

Рис. . Блок-схема лабораторних і виробничих досліджень.

Структуроутворення при твердненні газобетонних сумішей досліджували з використанням конічного пластометру МДУ, резонансно-акустичної установки ІГ-1Р, вимірника питомої електропровідності "Осцимометр ОК-105", рН-метр-мілівольтметру "рН-340", вимірника добротності (діелектричної проникності) "ВМ-560" (на частоті 10,6 МГц). Фазовий склад продуктів гідратації в’яжучих систем досліджено з використанням дериватографічного (дериватограф Q-1500 – діапазон температур 20...950°С, швидкість нагрівання 10°С/хв.), рентгенофазового (дифрактометр "Дрон-3" – напруга 40 кВ, струм анода 30 мА, швидкість зйомки 1°С/хв., катод Cuб(Ni)) методів, а також інфрачервоної спектроскопії (спектрометр "IR-75 Specord" – пресовані порошки під тиском 109 Па з додаванням KBr). Фізичні та механічні властивості газо(полістирол)бетону визначено за стандартними методиками. В'язкість газобетонних сумішей визначено за допомогою кулькового віскозиметру.

Для обробки газобетонних сумішей на стадії інтенсивного спучування у високовольтному електричному полі розроблено експериментальну установку, схему якої приведено на рис. .

Рис. . Схема лабораторної установки для обробки газобетонних сумішей

у високовольтному електричному полі:

1 – позитивний електрод; 2 – діелектричний матеріал; 3 – повітряний зазор; 4 – форма; 5 – негативний електрод; 6 – джерело високої напруги.

У третьому розділі приведено результати досліджень впливу високовольтної електричної поляризації на процеси структуроутворення газобетонних сумішей; виконано оптимізацію параметрів електростатичної активації газобетонних сумішей на стадії інтенсивного спучування, досліджено фазовий склад продуктів гідратації в’яжучого, визначено фізичні та механічні властивості неавтоклавного газобетону.

Кінетичні криві зміни пластичної міцності, резонансної частоти, питомої електропровідності та водневого показника газобетонних сумішей (0=700 кг/м3) представлені на рис. . Для зразків газобетонної суміші, активованої при напруженості електричного поля 1,83 кВ/см, у перші 20 хвилин спостерігається незначне підвищення пластичної міцності у порівнянні з контрольним зразком та більш істотне перевищення показників резонансної частоти для сумішей, активованих у всьому діапазоні напруженості електричного поля. Через 10 хв. з моменту приготування і заливання газобетонних сумішей у вимірювальні датчики відмічено незначне перевищення питомої електропровідності активованих сумішей у порівнянні з контрольним зразком. Носіями електричного струму рідкої фази бетонної суміші є три групи іонів – "вільні" іони; іони дифузної частини подвійного електричного шару (ПЕШ); протиіони адсорбційного шару ПЕШ – його внутрішня обкладинка. Слід вважати, що достатньо високі початкові значення питомої електропровідності для всіх досліджуваних зразків обумовлені швидким насиченням дифузних оболонок ПЕШ катіонами кальцію, а також іонами гідроксилу, що є результатом гідролізу клінкерних мінералів портландцементу, а також дисоціації гідрату окису кальцію, введеного у вигляді вапна у складі комплексного в'яжучого. У цей момент фіксуються також високі значення водневого показника сумішей.

Рис. . Кінетичні криві структуроутворення газобетонних сумішей:

а) – пластична міцність; б) – резонансна частота; в) – питома електропровідність; г) – водневий показник.

У інтервалі часу від 10 до 25 хвилин спостерігається значне зниження питомої електропровідності контрольного зразка, менш інтенсивно це виражено для зразків, активованих в електростатичному полі різної напруженості. Це пов'язано як із зменшенням кількості "вільних" іонів в результаті зв'язування води замішування в гідрати, так і здатності іонів дифундувати через дифузні оболонки частинок цементу. Одночасно спостерігається відмічене раніше підвищення показників пластичної міцності та резонансної частоти газобетонних сумішей.

Після 25 хвилин тверднення показник питомої електропровідності підвищується, при цьому більш суттєво для газобетонної суміші, активованої при напруженості поля Е=1,83 кВ/см, що пов'язано з посиленням дифузійних процесів – рідка фаза через гідратний шар проникає до нових поверхонь клінкерних мінералів. При цьому пластична міцність і резонансна частота сумішей знижуються, що обумовлено перебудовою в системі, що твердне, з вивільненням частини іммобілізованої рідини в цементних флокулах. В подальшому процесі структуроутворення газобетонних сумішей спостерігається підвищення показників пластичної міцності та резонансної частоти, а також зниження питомої електропровідності активованих сумішей у порівнянні з контрольною, що пояснюється інтенсифікацією гідратації частинок цементу та збільшенням питомої поверхні новоутворень. При цьому послабляються електростатичні зв'язки іонів твердої фази з іонами ПЕШ, одночасно знижується рухливість катіонів і аніонів.

Таким чином, на підставі уявлень про те, що кінетика структуроутворення визначається швидкістю насичення рідкої фази продуктами гідролізу і ступенем гідроксилювання поверхні зерен в'яжучого, виходить, що в електростатичному полі з напруженістю Е=1,16-2,33 кВ/см ці процеси прискорюються з подальшим інтенсивним утворенням кристалогідратного каркасу. Це має відбиватися і на кінетиці подальшого тверднення газобетону, оскільки післядія активаційної обробки в композиційних матеріалах пов'язана з явищами структурної спадковості та збереження певної спрямованості гідратаційного процесу, заданої на первинних етапах структуроутворення пластичної цементної дисперсії.

Встановлено, що електростатична поляризація газобетонних сумішей інтенсифікує процеси газовиділення в системі. Так, об'єм водню, що виділився в період інтенсивного спучування контрольної газобетонної суміші становив 94,5 мл (за об'ємом витиснутої води), для електроактивованої – 106,4 мл. В результаті середня густина бетонів з активованих сумішей знижується на 20-35 кг/м3. В той же час величина приросту міцності активованого газобетону у порівнянні з контрольним не перевищує 10При активації газобетонних сумішей з більш високою розрахунковою середньою густиною ефект електростатичної активації зростає. Для газобетону марок Д Д підвищення міцності при стиску становить 15-22 % у порівнянні з контрольними зразками. Імовірно це пов'язано з тим, що в системах з високим водотвердим співвідношенням (суміші з 0=700 кг/м3 і нижче) плівки рідини на поверхні дисперсних частинок менш структуровані, концентрація іонів в дифузійному шарі нижче, тому ефект електричної поляризації проявляється в меншій мірі.

Окрім того, ефективність електростатичної поляризації газобетонних сумішей буде залежати від параметрів обробки, що потребує їх оптимізації. Оптимізацію параметрів електрообробки газобетонних сумішей з розрахунковою середньою густиною 900 кг/м3 проведено з використанням методу планування експерименту - ПФЕ 2k. Статистичну обробку результатів експериментів та визначення коефіцієнтів рівняння регресії виконано за допомогою комп’ютерної програми "Аstat 2.0". Як параметри оптимізації прийнято чинники: Х1 – напруженість електричного поля (1,0-2,0 кВ/см); Х2 – тривалість електрообробки (10-30 хв.). За критерій оптимізації прийнято значення межі міцності при стиску зразків електроактивованого газобетону, МПа. На основі розрахунків, виконаних з урахуванням оцінки значимості коефіцієнтів, одержано рівняння регресії:

Y (Rст) = 6,053-0,366X1-0,258X2-0,964X12-0,594X22 (1).

Графічна інтерпретація рівняння регресії представлена на рис. 4. Оптимальними параметрами електрообробки є: напруженість електричного поля Е=1,21-1,56 кВ/см, тривалість електрообробки ф=13-22 хв.

Рис. . Залежність межі міцності при стиску газобетону від напруженості електричного поля (X1) та тривалості електрообробки (X2).

Результати диференційного термогравіметричного, рентгенофазового аналізів та інфрачервоної спектроскопії свідчать про підвищення ступеня гідратації комплексного в'яжучого газобетону, активованого за оптимальних параметрів в електростатичному полі на стадії спучування суміші. За даними ДТГ втрати маси у температурному інтервалі 30–120–230С для активованого зразка газобетонної суміші становлять 54,2 мг/г; для контрольного – 49,3 мг/г, що свідчить про більш високий вміст гідросилікатного гелю в результаті інтенсифікації процесу розчинення клінкерних мінералів та взаємодії гідрату окису кальцію з аморфним оксидом кремнію кремнеземистого компоненту газобетону. Останнє підтверджується зниженням глибини ендопіку у температурному інтервалі 230–475–485С – втрати маси для активованого зразка цементної пасти становлять 85,0 мг/г; для контрольного – 90,4 мг/г. За даними РФА відмічено зниження інтенсивності відбитків, що належать вихідним мінералам клінкеру, зокрема аліту (d=0,303; 0,193; 0,177 нм), ІЧС – зсув частоти поглинання від 853 до 880 та від 886 до 900 см-1, що свідчить про збільшення ступеня конденсації тетраедрів кремнезему.

Інтенсифікація процесу гідратоутворення при електростатичній поляризації газобетонної суміші позитивно впливає на фізичні та механічні властивості газобетону (Д ) – межа міцності бетону при стиску підвищується на 22; вироби з активованих газобетонних сумішей досягають більш високої марки за морозостійкістю (F 75) у порівнянні з контрольними зразками газобетону (F 50), а величина усадки при висушуванні знижується на 20.

У четвертому розділі містяться результати експериментальних досліджень впливу добавки органо-мінерального модифікатору та заповнювача у вигляді гранул спіненого полістиролу на структуру і властивості газополістиролбетону, оптимізовано його склад, визначено фізичні та механічні властивості газополістиролбетону, активованого у високовольтному електричному полі.

На гранулу спіненого полістиролу у вигляді шару об'ємом та середньою густиною , що введена до складу газобетонної суміші з середньою густиною , впливає Архімедова сила спливання Fa (), сила власної ваги G () та сила тертя Fт, що виражена за формулою Стокса через швидкість спливання v на ділянці газобетонної суміші та коефіцієнт динамічної в'язкості ().

Виконуючи перетворення, одержуємо формулу для розрахунку в'язкості газобетонної суміші:

(2).

З використанням кулькового віскозиметру досліджено величину в'язкості газобетонних сумішей з середньою густиною у діапазоні 500-900 кг/м3, що становить відповідно: Д – 12 Пас; Д – 123 Пас; Д – 210 Пас; Д – 4515 Пас; Д – 10824 Пас. Гранула спіненого полістиролу розміром r=5 мм, що введена до газобетонної суміші з , відповідно до формули (2) за період часу 20 хвилин підніметься на висоту не більше 5,3 мм. При цьому слід враховувати, що в процесі структуроутворення в'язкість газобетонної суміші буде постійно зростати, що забезпечуватиме сталість положення та достатньо високу рівномірність розподілу гранул спіненого полістиролу в об'ємі виробу з газополістиролбетону, що формується способом лиття.

Встановлено, що середнє квадратичне відхилення величини кількості гранул спіненого полістиролу на одиницю площі (рис. ) для горизонтального перерізу S1-S2-S3 становить S0=8,7; коефіцієнт варіації v=2,8; для вертикальних перерізів S1-S2-S3-S4-S5-S6 – S0=8,3; v=6,3відповідно, що забезпечує ізотропність властивостей газобетону.

Рис. . Розподіл гранул спіненого полістиролу у горизонтальному (а) і вертикальному (б) перерізах.

Органо-мінеральна добавка впливає як на підвищення міцності зчеплення гранул полістиролу з газобетонною матрицею (на 55-60так і підвищення міцності міжпорових перегородок газобетону (на 12-15Це відбувається в результаті підвищення гідрофільних властивостей поверхні полімерного заповнювача та зниження водопотреби газобетонної суміші на 10. Окрім того, мінеральна складова модифікатору у вигляді мікрокремнезему сприяє зв'язуванню вільного вапна у низькоосновні гідросилікати кальцію, що підтверджено даними ДТГ та РФА. В той же час органо-мінеральний модифікатор погіршує спучування газобетонної суміші.

При оптимізації складу газополістиролбетону як фактори оптимізації прийнято 1 – витрати полістирольного заповнювача, 2 – витрати добавки-модифікатору. Критерієм оптимізації є середня густина газополістиролбетону (не більше 600 кг/м3) та міцність бетону при стиску (не менше 1,0 МПа).

Область оптимальних складів газополістиролбетону при фіксованих значеннях факторів оптимізації приведена на рис. .

Рис. . Область оптимальних складів газополістиролбетону при фіксованих значеннях факторів оптимізації.

Газополістиролбетон марки за середньою густиною Д 500, активований у високовольтному електричному полі, характеризується підвищеними показниками міцності при стиску та морозостійкості, зниженими показниками деформацій усадки при висушуванні та коефіцієнту теплопровідності у порівнянні з газобетоном такої ж марки за середньою густиною (табл. ).

Таблиця 1

Фізичні та механічні властивості газо(полістирол)бетону

Назва показника | Вид бетону

газобетон | газополістиролбетон

1. Марка за середньою

густиною, кг/м3 | Д  | Д  | Д 

2. Межа міцності бетону при стиску у віці 28 діб, МПа

2. Клас за міцністю

при стиску, МПа

3. Водопоглинення

за масою, %

4. Деформації усадки, мм/м

5. Марка за морозостійкістю

6. Коефіцієнт

теплопровідності, Вт/м??С | 0,22 | 0,114 | 0,071

Примітка. У чисельнику приведено показники для контрольних зразків бетону, у знаменнику – для зразків з бетонних сумішей, активованих в електричному полі.

У п’ятому розділі наведено результати дослідно-промислової апробації дисертаційного дослідження, а також виконано розрахунки техніко-економічних та експлуатаційних показників запропонованих рішень.

Розроблено і впроваджено нормативно-технічну та технологічну документацію – технічні умови ТУ У В.2.7-26.6-30664457- :2008 (дослідна партія) "Вироби газобетонні з заповнювачем зі спіненого полістиролу неавтоклавного тверднення", технологічний регламент виробництва блоків стінових дрібноштучних з газо(полістирол)бетону неавтоклавного тверднення, який передбачає в операційній структурі технологічного процесу активацію свіжовідформованих газо(полістирол)бетонних виробів у високовольтному електричному полі (впроваджено “Данко ІЗОЛ Докучаєвський ЗТВ” м. Докучаєвськ). Відповідно до технологічного регламенту виконано випуск дослідно-промислової партії газобетонних виробів у кількості 517 м3 (19148 шт). Розрахунковий річний економічній ефект від впровадження технології виробництва газобетонних виробів становить 71603,28 грн.

Спосіб виготовлення газобетонних виробів та спосіб виготовлення газополістиролбетону захищено патентами України.

Виконано техніко-економічну оцінку ефективності застосування неавтоклавного газополістиролбетону в конструкції огороджувальних стін надбудови над другим поверхом медичного центру по вул. Краснознаменівська, 164, м. Харцизьк Донецької області з розробкою енергетичного паспорту (проект № ГС-АС). Вартість 1 м2 конструкції зовнішньої стіни запропонованого варіанту складає 393,0 грн. (загальний кошторис огороджувальних конструкцій – 64,7 тис. грн.), базового варіанту – 478 грн. (78,6 тис. грн.)

ВИСНОВКИ

1. Теоретично й експериментально обґрунтовано спосіб одержання неавтоклавного газополістиролбетону з підвищеними фізичними та механічними властивостями на основі встановлення закономірностей структуроутворення газобетонної суміші, комплексно модифікованої високовольтною електростатичною поляризацією та органо-мінеральною добавкою.

2. Встановлено, що високовольтна електростатична поляризація газобетонних сумішей, що являють собою дисперсні системи типу "Т-Р-Г", на стадії інтенсивного спучування призводить до прискорення процесів газовиділення, розчинення клінкерних мінералів, збільшення вмісту у складі новоутворень каменю в'яжучого низькоосновних гідросилікатів кальцію та зменшення кількості вільного вапна, підвищення міцності газобетону.

3. Визначено оптимальні параметри високовольтної електростатичної поляризації газобетонних сумішей з розрахунковою середньою густиною 900 кг/м3 на стадії інтенсивного спучування (напруженість поля Е=1,21-1,56 кВ/см, тривалість електрообробки ф=13-22 хв.), що дозволяє інтенсифікувати процеси структуроутворення, підвищити межу міцності бетону при стиску на 22

4. Встановлено, що використання у складі газополістиролбетонних сумішей орано-мінерального модифікатору сприяє підвищенню міцності зчеплення гранул спіненого полістиролу з газобетоном на 55-60 %, зниженню водопотреби суміші на 10підвищенню ступеню гідратації комплексного в'яжучого та модифікуванню складу продуктів гідратації.

5. Визначено оптимальні склади газобетону з заповнювачем у вигляді гранул спіненого полістиролу та органо-мінеральним модифікатором, що у сукупності з оптимальними параметрами електричної активації дозволяє одержати неавтоклавний газополістиролбетон, який у порівнянні з газобетоном такої ж марки за середньою густиною характеризується підвищеними фізичними та механічними властивостями (межа міцності при стиску вище на 74морозостійкість – на дві марки; коефіцієнт теплопровідності менше на 38; деформації усадки при висиханні – на 56, водопоглинення – на 67).

6. Розроблено технологічний регламент виробництва блоків стінових дрібноштучних з газо(полістирол)бетону неавтоклавного тверднення, який передбачає в операційній структурі технологічного процесу електричну активацію газобетонних сумішей на стадії інтенсивного спучування, та технічні умови ТУ У В.2.7-26.6-30664457- :2008 (дослідна партія) "Вироби газобетонні з заповнювачем зі спіненого полістиролу неавтоклавного тверднення".

7. Виконано техніко-економічну оцінку ефективності застосування неавтоклавного газополістиролбетону в конструкції огороджувальних стін з розробкою енергетичного паспорту. Вартість 1 м2 конструкції зовнішньої стіни запропонованого варіанту складає 393,0 грн. (загальний кошторис огороджувальних конструкцій – 64,7 тис. грн.), базового варіанту – 478 грн. (78,6 тис. грн.). Відповідно до технологічного регламенту виконано випуск дослідно-промислової партії газобетонних виробів у кількості 517 м3 (19148 шт). Розрахунковий річний економічній ефект від впровадження технології виробництва газобетонних виробів становить 71603,28 грн.

Основні положення дисертації опубліковані у таких роботах:

1. Мартынова В.Б. Управление процессами формирования структуры безавтоклавных газобетонов высоковольтной электрической активацией / В.Б. Мартынова, Н.М. Зайченко, А.В. Назарова // Современные проблемы строительства: ежегод. науч.-техн. сб. – Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект. – 2003. – № 1(6). – С. 94-99. (Особистий внесок здобувача – визначення пластичної міцності, резонансної частоти, діелектричної проникності газобетонних сумішей).

2. Зайченко Н.М. Влияние напряженности электрического поля на кинетику структурообразования газобетонных смесей / Н.М. Зайченко, В.Б. Мартынова, А.В. Назарова // Вісник ДонНАБА: Макіївка. – 2005. – Вип. 1(49). – С. 146-151. (Проведення експериментальних досліджень, обробка результатів).

3. Мартынова В.Б. Морозостойкость неавтоклавного газобетона, активированного в высоковольтном электрическом поле / В.Б. Мартынова, Н.М. Зайченко, В.Г. Вешневская // Вісник ОДАБА: Одеса – 2005. – Вип. № 20. – С. 249-253. (Виготовлення зразків, підготовка обладнання до експериментальних досліджень, обробка результатів).

4. Мартынова В.Б. Неавтоклавный газобетон на основе отходов промышленности с повышенными теплозащитными свойствами / В.Б. Мартынова // Современные проблемы строительства: ежегод. науч.-техн. сб. – Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект. – 2005. – № 3(8). – С. 236-239.

5. Эксплуатационные свойства газобетона с полистирольным заполнителем / В.Б. Мартынова, Н.М. Зайченко, В.Г. Вешневская, Л.И. Маркина // Вісник ОДАБА: Одеса – 2006. – Вип. № 23. – С. 183-188. (Виготовлення зразків, визначення деформацій усадки, обробка результатів).

6. Мартынова В.Б. Влияние высоковольтной электрической активации газобетона на формирование фазового состава продуктов гидратации вяжущего / В.Б. Мартынова, В.Г. Вешневская, // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. праць. – Рівне. – 2006. – Вип. 14. – С. 104-110. (Підготовка матеріалів до фізико-хімічного аналізу, обробка даних).

7. Мартынова В.Б. Влияние высоковольтной электрической активации на кинетику гидратации вяжущего и газовыделений в ячеистобетонной смеси / В.Б. Мартынова // Вопросы химии и химической технологии: загальнодерж. науково-техн. журн. – Дніпропетровськ: УДХТУ. – 2007. – Вип. 3. – С. 52-54.

8. Мартынова В.Б. Исследование равномерности распределения гранул вспененного полистирола в конструкционно-теплоизоляционном газобетоне / В.Б. Мартынова, С.С. Поливцев // Вісник ДонНАБА: Макіївка. – 2007. – Вип. 1(63). – С. 49-53. (Проведення експериментів та розрахунок рівнянь регресії).

9. Мартинова В.Б. Утилізація відходів пінополістирольних плит при виробництві ніздрюватих бетонів / В.Б. Мартынова // Зб. наук. праць ЛНАУ. Серія: Технічні науки. – Луганськ: Вид-во ЛНАУ. – 2008. – № 81. – С. 425-430.

10. Мартынова В.Б. Оптимизация параметров обработки газобетонной смеси высоковольтным постоянным электрическим полем / В.Б. Мартынова, Н.М. Зайченко, С.С. Поливцев // Компьютерное материаловедение и обеспечение качества (МОК 45): междунар. науч.-техн. конф., 2006: мат-лы конф. – Одесса, 2006. – С. 79-80. (Виконання експериментів, обробка результатів).

11. Мартынова В.Б. Теплоизоляционный материал на основе отходов промышленности с повышенными теплоизоляционными свойствами / В.Б. Мартынова, В.Г. Вешневская, Н.Ю. Стогний, Ю.Ю. Федишина // Застосування нових матеріалів, конструкцій, технологій при вирішенні екологічних проблем природокористування та охорони навколишнього середовища: міжнарод. наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів, 2006: тези допов. – Макіївка, 2006. – С. 67. (Проведення експериментальних досліджень, обробка результатів).

12. Пат. 78908 Україна, МПК С04В 38/02, С04В 40/02. Спосіб виготовлення газобетонних виробів / Зайченко М.М., Мартинова В.Б., Назарова А.В.; заявник і власник патенту Донбаська нац. акад. буд-ва і арх-ри. - № ; заявл. 29.07.05; опубл. 25.04.07. Бюл. № 5. (Виконання досліджень, патентний пошук, оформлення документів на подання заявки).

13. Пат. 81153 Україна, МПК С04В 38/02, С04В 38/08. Спосіб виготовлення газополістиролбетону / Зайченко М.М., Мартинова В.Б.; заявники і власники Зайченко М.М., Мартинова В.Б. - № ; заявл. 24.11.05; опубл. 10.12.07. Бюл. № 20. (Розробка способу виготовлення газополістиролбетонних виробів, патентний пошук, оформлення документів на подання заявки).

АНОТАЦІЯ

Мартинова В.Б. Модифікований неавтоклавний газополістиролбетон з підвищеними фізичними та механічними властивостями. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2008 р.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної задачі підвищення коефіцієнту конструктивної якості ніздрюватих бетонів на основі теоретичного й експериментального обґрунтування способу комбінованого модифікування газополістиролбетонних сумішей органо-мінеральною добавкою та високовольтною електростатичною поляризацією на стадії інтенсивного спучування.

Встановлено, що високовольтна електростатична поляризація газобетонних сумішей впливає на процеси газовиділення в системі, кінетику структуроутворення та тверднення бетону, склад продуктів гідратації каменю в'яжучого. В той же час ці процеси мають явно виражений характер при активації газобетонних сумішей з розрахунковою середньою густиною вище 700 кг/м3.

Визначено оптимальні склади газобетону з заповнювачем у вигляді гранул спіненого полістиролу та органо-мінеральним модифікатором, що у сукупності з оптимальними параметрами електричної активації дозволяє одержати неавтоклавний газополістиролбетон (Д500-Д600), який у порівнянні з газобетоном такої ж марки за середньою густиною характеризується підвищеними фізичними та механічними властивостями (межа міцності при стиску вище на 74морозостійкість – на дві марки; коефіцієнт теплопровідності менше на 38; деформації усадки при висиханні – на 56, водопоглинення – на 67).

За результатами досліджень розроблено технологічний регламент виготовлення блоків стінових дрібноштучних з газо(полістирол)бетону неавтоклавного тверднення та технічні умови ТУ У В.2.7-26.6-30664457- :2008 (дослідна партія) "Вироби газобетонні з заповнювачем зі спіненого полістиролу неавтоклавного тверднення". Випуск дослідно-промислової партії виробів з модифікованого неавтоклавного газобетону здійснено на заводі “Данко ІЗОЛ Докучаєвський ЗТВ”. Розрахунковий річний економічній ефект від впровадження технології виробництва газобетонних виробів за розробленим регламентом становить 71603,28 грн.

Ключові слова: газобетон, гранули спіненого полістиролу, органо-мінеральна добавка, високовольтна електростатична поляризація, газополістиролбетон.

АННОТАЦИЯ

Мартынова В.Б. Модифицированный неавтоклавный газополистиролбетон с повышенными физическими и механическими свойствами. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2008 г.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи повышения коэффициента конструктивного качества ячеистых бетонов на основе теоретического и экспериментального обоснования способа комбинированного модифицирования газополистиролбетонных смесей органо-минеральной добавкой и высоковольтной электростатической поляризацией на стадии интенсивного вспучивания.

В первом разделе выполнен анализ современного состояния вопроса по направлению темы диссертации, изложены теоретические предпосылки исследований, на основе которых сформулированы научные гипотезы работы.

Во втором разделе для решения поставленных в работе задач разработана блок-схема лабораторных и производственных исследований, которая включает три последовательных блока: І – исследование влияния параметров электростатической поляризации газобетонных смесей на процессы структурообразования и твердения газобетона, их оптимизация; ІІ – разработка и оптимизация составов газополистиролбетона, исследование влияния комбинированного модифицирования – химического (органо-минеральной добавкой) и электрофизического (высоковольтной электростатической поляризацией), на структуру и свойства газополистиролбетона; ІІІ – разработка технологической и нормативно-технической документации, внедрение результатов исследований в производство.

В третьем разделе приведены результаты исследований влияния высоковольтной электростатической поляризации на процессы структурообразования газобетонных смесей; выполнена оптимизация параметров электростатической активации газобетонных смесей на стадии интенсивного вспучивания, исследован фазовый состав продуктов гидратации вяжущего, определены физические и механические свойства неавтоклавного газобетона. Установлено, что высоковольтная электростатическая поляризация газобетонных смесей влияет на процессы газовыделения в системе, кинетику структурообразования и твердения бетона, состав продуктов гидратации камня вяжущего. В то же время эти процессы имеют явно выраженный характер при активации газобетонных смесей с расчетной средней плотностью выше 700 кг/м3.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований влияния добавки органо-минерального модификатора и заполнителя в виде гранул вспененного полистирола на структуру и свойства газополистиролбетона, оптимизирован его состав, определены физические и механические свойства газополистиролбетона, активированного в высоковольтном электрическом поле.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что введение гранул вспененного