Береговой, Виталий Александрович. Эффективные пенокерамобетоны общестроительного и специального назначения

brief description

Береговой, Виталий Александрович. Эффективные пенокерамобетоны общестроительного и специального назначения : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.05 / Береговой Виталий Александрович; [Место защиты: ГОУВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства"].- Пенза, 2012.- 421 с.: ил.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
На правах рукописи
05201350200
Береговой Виталий Александрович
ЭФФЕКТИВНЫЕ ПЕНОКЕРАМОБЕТОНЫ
ОБЩЕСТРОИТЕЛЬНОГО И СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
Диссертация на соискание учёной степени
доктора технических наук
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, советник РААСН Королев Е.В.
Пенза, 2012
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 15
1 Л. Общие сведения о пеностеклокерамических материалах: мировой опыт про- 15 изводства и современные тенденции
1Л Л. Патентные исследования 15
1Л.2. Результаты научных исследований и научно-техническая информация 22 1Л .3. Тенденции развития технологий пеностеклокерамических материалов 26
1.2. Технологические предпосылки создания эффективных пенокерамобетонов 29
1.3. Материалы для производства пенокерамобетонов 35
1.3.1. Минеральная сырьевая база 3 5
1.3.2. Пенообразователи и корректирующие добавки 42
1.4. Технологические особенности процессов формирования ячеистой структуры 62
1.5. Современные подходы к исследованию взаимосвязи состава и свойств по- 67
ристых композиционных материалов
1.5.1. Прочностные свойства 67
1.5.2. Теплофизические свойства 71
Выводы 76
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 78
2.1. Цели и задачи исследования 78
2.2. Применяемые материалы и их характеристики 78
2.3. Методы исследований и аппаратура 83
2.4. Статистическая оценка результатов измерений и методы 88
математического планирования эксперимента
2.5. Методика приготовления образцов пенокерамобетона 89
в лабораторных условиях
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДА- 90
НИЯ ПЕНОКЕРАМОБЕТОНОВ РАЗЛИЧНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
3.1. Критерии качества ПКБ различного назначения 90
3.2. Методики выбора компонентов и проектирования составов ПКБ 100
3.2.1. Теоретические основы выбора оптимального модификатора 100
3.2.2. Метод определения фазового соотношения ПКБ по химическому соста- 103 ву компонентов
3.3. Методики оценки параметров состояния и структурных показателей ПКБ по 112 критерию теплопроводности
3.3.1. Расчет теплопроводности жаростойких ПКБ 113
3.3.2. Расчет теплопроводности пенокерамобетонов общестроительного на- 120 значения
3.4. Методика оценки структурных показателей ПКБ по критерию прочности 128
3.5. Методика оценки рецептурных факторов по критерию усадки 135
3.6. Алгоритм конструирования ПКБ 141
Выводы 148
ГЛАВА 4. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА- 151 ОСНОВЫ
4.1. Исследование процессов формирования ячеистой структуры 151
4.1.1. Влияние минеральных компонентов на свойства пеноминеральных сме- 151 сей
4.1.2. Влияние рецептурных факторов на реологические свойства сырьевых 157 смесей
4.2. Исследование влияния пенообразователей на гидратацию вяжущих и проч- 164 ность материала-основы
4.2.1. Влияние пенообразователей на гидратацию цементов системы СаО- 164
А1203
4.2.2. Влияние пенообразователей на гидратацию цементов системы СаО- 176
Si02
4.3. Исследование адсорбции пенообразующих добавок и органических пласти- 181 фикаторов на поверхности минеральных частиц
4.4. Исследование влияния природных сырьевых компонентов на свойства пен 187
4.4.1. Влияние минерального типа 191
4.4.2. Влияние лиофильных показателей 194
4.4.3. Влияние химического состава 203
4.5. Влияние модификаторов на свойства пенокерамобетонных смесей 209
4.5.1. Добавки-стабилизаторы 209
4.5.2. Влияние органических пластификаторов 212
4.5.3. Влияние неорганических пластификаторов 216
4.5.4. Синергетизм пластификаторов 229
4.6. Перечень рекомендуемых модификаторов 232
Выводы 235
ГЛАВА 5. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПЕНОКЕРАМОБЕТОНОВ 238
5.1. Кремнистые пенокерамобетоны общестроительного назначения 238
5.1.1. Структурообразование материала-основы 238
5.1.2. Выбор добавок-модификаторов 247
5.1.3. Определение оптимальных параметров макроструктуры 5.2. Жаростойкие пенокерамобетоны
5.2.1. Структурообразование материала-основы
5.2.2. Влияние материала-основы на термомеханические свойства
5.2.3. Теплофизические свойства Выводы
ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ПЕНОКЕ- РАМОБЕТОНОВ
6.1. Технология жаростойких пенокерамобетонов
6.1.1. Основные сырьевые компоненты и требования к ним
6.1.2. Принципиальная технологическая схема
6.1.3. Промышленная апробация
6.1.4. Расчет и конструирование технологических аппаратов
6.2. Технология пенокерамобетонов общестроительного назначения
6.2.1. Основные сырьевые компоненты и требования к ним
6.2.2. Промышленная апробация
6.3. Технико-экономическое обоснование производства и применения ПКБ
6.3.1. Жаростойкие пенокерамобетоны
6.3.2. Пенокерамобетоны общестроительного назначения Выводы
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Принятые обозначения и сокращения
ВГЦ - высокоглиноземистый цемент;
ОПОС - отход производства оптического стекла;
ММПЭ - методы математического планирования эксперимента; ПКБ - пенокерамобетон;
ПКБЖ - пенокерамобетон жаростойкий;
ПКС - пенокерамобетонный сырец;
ПЦ - портландцемент;
ПЦ (к) - молотый портландцементный камень;
ППЦ - пуццолановый портландцемент;
ПО - пенообразователь;
ШПЦ -шлакопрортландцемент.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность.
Анализ современной проблематики строительного материаловедения показы-вает, что введение новых норм по теплозащите зданий и сооружений послужило стимулом для стремительного развития технологии производства теплоизоляцион-ных материалов. За последние годы были разработаны полимерные и минеральные теплоизоляционные материалы, обладающие высокими технико-экономическими показателями, внедрены прогрессивные отечественные и зарубежные технологии их изготовления.
Однако современные положительные тенденции в технологии теплоизоляци-онных материалов практически не затронули «пенную технологию», которая, имея потенциалы прогрессивности, конкурентоспособности и экономичности, способна обеспечить значительные сдвиги в решении задач снижения материалоемкости строительной продукции, экологии, расширения сырьевой базы для производства эффективных теплоизоляционных материалов. Несмотря на очевидные технологи-ческие преимущества, способ пенообразования применяется сравнительно редко, что обусловлено недостаточной проработкой научно-практических основ получе¬ния пеноминеральных материалов. В настоящее время отсутствуют общие методо-логические принципы, основанные на системном подходе к исследованию процес¬сов структурообразования, рассматривающие проектирование составов с учетом
взаимозависимости факторов триады «материал-конструкция-эксплуатационная среда» и содержащие математический аппарат с необходимым набором теоретиче¬ских и инженерных расчетных зависимостей, позволяющих осуществлять управле¬ние технологическими процессами получения ячеистого материала с заданными свойствами.
Изложенное позволяет констатировать, что существует объективная необхо-димость решения комплекса материаловедческих задач, направленных на совер-шенствование технологии получения пеноминеральных теплоизоляционных мате¬риалов с целью реализации имеющегося резерва повышения качества и расшире¬ния области их рационального применения. ■
Необходимо отметить, что в отечественной практике имеются положительные примеры производства достаточно эффективных ячеистых материалов на мине¬ральной основе, например из пенокерамики или пеностекла. Однако процесс по¬лучения таких материалов предусматривает использование пенообразователей на основе дефицитного природного или белкового сырья, что, наряду с большой энер¬гоемкостью производственного цикла и ограниченностью минеральной сырьевой базы, является существенным недостатком существующих технологий производст¬ва ячеистых обжиговых материалов. Кроме того, кремнистая пенокерамика харак¬теризуется повышенной сорбционной способностью, ограничивающей область ее рационального применения производством жаростойких материалов, а пеностекло - недостаточной для большинства типов ограждающих конструкций жилых зданий воздухо- и паропроницаемостью.
Таким образом, очевидна актуальность исследований, направленных на раз¬работку составов и технологии изготовления эффективных ячеистых композитов, обладающих положительными качествами пенобетонов (доступность технологиче¬ского оборудования и возможность использования синтетических пенообразовате¬лей), пенокерамики (отсутствие усадочных деформаций, долговечность, достаточ¬ная паропроницаемость; возможность использования в качестве основного компо¬нента доступных горных пород) и пеностекла (низкая сорбционная способность).
Один из возможных путей повышения качества и конкурентоспособности об-жиговых пенных материалов заключается в разработке гибридной технологии их изготовления, в которой рационально совмещены технологические подходы, ис-пользуемые при изготовлении пенобетонных и пенокерамических материалов. Суть рассматриваемой технологии заключается в том, что на первом этапе, исполь¬зуя технологию пенобетона, получают малоцементный материал (ячеистый сырец) с коагуляционно-конденсационным типом микроструктуры. На втором этапе про¬изводится обжиг цементного сырца, в процессе которого протекает комплекс фи- зико-химических процессов, связанных с термической активизацией основного ми¬нерального сырьевого компонента из алюмосиликатных или кремнистых горных пород. Высокотемпературная обработка способствует увеличению количества це¬ментирующего вещества, повышению компактности упаковки микрочастиц и уда¬лению из системы пенообразующей добавки. В процессе обжига формируется но¬вый фазовый состав и микроструктура матричного вещества, а сам ячеистый мате¬риал, переходя на новый более высокий уровень качества, трансформируется в пе- нокерамобетон (ПКБ).
Теплопроводность, как способность строительных материалов оказывать тер-мическое сопротивление на пути прохождения теплового потока, имеет огромное значение, предопределяя их функциональное назначение в конструкциях зданий и сооружений. Знание закономерностей формирования важнейших теплофизических констант (теплопроводности, теплоемкости, термического расширения, термостой¬кости) позволяет повысить качество материалов и более надежно прогнозировать их работу в условиях эксплуатации, что является актуальной задачей в свете дос¬тижения объявленных правительством РФ целей по повышению энергоэффектив¬ности современного строительства.
Большинство ТУ и ГОСТов на стеновые и теплоизоляционные материалы нормируют как теплопроводность, так и прочность изделий. Даже теплоизоляци¬онные материалы, не воспринимающие никаких значимых нагрузок, должны иметь прочность, достаточную для их транспортировки, монтажа и последующего ремон¬та в процессе эксплуатации. При этом совмещение требований низкой теплопро¬водности и достаточной прочности в одном материале является сложной научно¬практической задачей, решение которой может быть найдено путем рационального совмещения уже существующих технологий и разработки новых научно¬методических подходов к этой проблематике.
Композиционные материалы, по сути, представляют собой конгломераты, со-стоящие из мелкодисперсных частиц, формирующих микроуровень и частиц более крупных размеров, формирующих макроуровень. Микроструктурный уровень соз¬дается в результате затвердевания вяжущего, наполнителей и других мелкодис¬персных добавок. Применительно к теплоизоляционным материалам макроуровень обозначают терминами «матрица» или «материал-основа». В качестве компонента, формирующего макроуровень ячеистого материала, принято рассматривать газооб¬разную фазу, параметры которой определяют как прочностные, так и теплопрово¬дящие показатели искусственного конгломерата. Основными параметрами газовой фазы являются средний размер, равномерность распределения, степень замкнуто¬сти, характер внутренней поверхности, геометрический фактор формы.
В целях получения расчетных зависимостей при исследовании механизма формирования показателей теплоизоляционного материала, состоящего из большо¬го количества компонентов, часто применяют полиструктурный подход. В рамках этого подхода аналитические закономерности можно получить, последовательно рассматривая отдельные структурные уровни материала, каждый из которых со¬стоит из относительно небольшого числа компонентов. Причем компоненты счи¬таются однородными во всем объеме материала и их свойства оцениваются по ус¬редненным показателям.
Следуя полиструктурному подходу, ячеистый материал можно представить как двухкомпонентную систему, включающую материал-основу и газовые ячейки. При этом отдельные свойства такого материала можно рассматривать в виде функ¬ции от соответствующих показателей и количественного соотношения компонен¬тов. Например, исследование теплопроводности материала-основы пенокерамобе- тона следует проводить, представляя материал, состоящим из двух фаз - кристал¬лической и стеклообразной. В процессе детального исследования можно постепен¬но перейти к рассмотрению теплопроводности отдельных фаз и их теоретическому определению. Полиструктурное моделирование материалов является достаточно общепризнанным и широко применяется при исследовании свойств, как традици¬онных бетонов, так и вновь создаваемых композитов с заранее заданными показа¬телями свойств.
Одной из главных задач настоящей работы являлось выработка научно¬практических основ пенокерамобетонной технологии с целью повышения качества обжиговых теплоизоляционных материалов. В результате используемого техноло¬гического подхода формируется заданный минерально-фазовый состав пеностек¬локерамического материала, оптимизированный по механическим, теплофизиче¬ским и гидрофизическим свойствам.
В практической плоскости работа направлена на создание инновационного про-изводства пеностеклокерамических строительных материалов с высокими технико-экономическими показателями, достигаемыми за счет использования природного материала (опок, глин, диатомитов), корректирующих добавок и управляющих тех-нологических воздействий.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана госбюд¬жетных НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимых по зада¬нию Министерства образования РФ и финансируемых из средств федерального бюджета на 2003...2008 гг., госбюджетных тем, финансируемых РААСН (2004...2006 гг.), совместной Межотраслевой программы сотрудничества Миноб¬разования РФ и Спецстроя РФ (2003 г.), гранта на проведение НИР в рамках феде¬
ральной целевой программы по поддержке малых предприятий в научно¬технической сфере (2005...2006 гг.), гранта министерства регионального развития РФ (г. Пенза, 2010 г.), а также ряда исследовательских работ, выполненных по за¬казам строительных предприятий Пензенской области (2006-2011 гг.).
Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании процес¬са получения, установлении общих закономерностей формирования структуры и критериев для ее оценки, прогнозировании свойств пеностеклокерамических мате¬риалов (пенокерамобетонов) из модифицированных полиминеральных смесей на основе пластичного и непластичного природного сырья в сочетании с цементными технологическими связками и синтетическими пенообразователями.
Основные научные результаты, полученные при выполнении диссертацион¬ных исследований, состоят в следующем:
1. Разработаны методологические основы получения высококачественных
строительных композитов по технологии пенокерамобетона,
направленное формирование параметров стеклокерамической микроструктуры обжигового материала из пеноминеральных смесей, стабилизированных добавка¬ми цементных вяжущих в количестве 10... 15 %. Показано, что применение моди-фицирующих добавок на основе ряда неорганических солей и органических пла-стификаторов положительно влияет на технико-эксплуатационные характеристики получаемого материала (снижается теплопроводность на 10... 15 % (в сухом со¬стоянии), уменьшается сорбционное увлажнение в 1,8...3,0 раза, увеличивается прочность при сжатии в 2,5...3,0 раза по отношению к базовым составам).
2. Обоснованы режимы обжига пенокерамобетонов различного назначения, позволяющие сформировать минерально-фазовый состав материала с заданным комплексом тепло- и гидрофизических, а также механических свойств в интервале температур 900...950 °С (для общестроительных модификаций), 1230...1250 °С (для жаростойких модификаций). Показано, что использование подобранных мо-дифицирующих добавок интенсифицирует процесс образования эвтектик требуе¬мого состава и обеспечивает повышение технико-эксплуатационных характери¬стик получаемого материала за счет формирования при охлаждении заданного ко¬личества (от 15 до 40 %) прочных, низкотеплопроводных и малогигроскопичных стекловидных фаз.
3. Установлено влияние рецептурных факторов на реотехнологические свой¬ства сырьевых смесей: разработанные добавки значительно (в 2,5...4 раза) снижа¬ют их вязкость и способствуют уменьшению общей водопотребности вспенивае¬мых масс на 25.. .30 %. 
4. Выявлены закономерности адсорбции при совместном введении синтетиче¬ских пенообразователей и органических пластификаторов; доказано наличие ме¬ханизма конкурирующей адсорбции молекул пенообразователя и пластификатора на поверхности частиц цементной технологической связки. Разработана методика выбора пенообразователя по критериям кратности и стойкости пен, а также проч¬ности пенокерамобетонного сырца.
5. Установлены закономерности влияния сырьевых компонентов пенокерамо- бетона на кратность и стойкость пен. Разработаны критерии отбора природных компонентов, включающие оценку их химического и минералогического состава, а также гидрофильных и электрокинетических свойств.
6. Сформулированы принципы подбора составов полифункциональных доба¬вок, сочетающих водоредуцирующий и воздухововлекающий эффекты с положи¬тельным влиянием на процессы спекания материала межпоровых перегородок, формирования состава и свойств образующихся стекловидных фаз.
7. Установлены основные закономерности формирования минерально¬
фазового состава пенокерамобетона; выявлено, что в процессе термической обра¬ботки продукты дегидратации цементного камня активно взаимодействуют с при¬родными компонентами сырьевой смеси с образованием упрочняющих кристалли¬ческих фаз - волластонита, плагиоклаза. При этом свободный оксид кальция, об¬разующийся на начальных ступенях обжига, полностью расходуется на обеспече¬ние процесса синтеза указанных кристаллических соединений и водостойких стек¬ловидных фаз. .
8. С использованием феноменологического подхода разработаны расчетные методы определения теплопроводящих и прочностных свойств пенокерамобетона, учитывающие свойства основных фаз, а также параметры ячеистой структуры; предлагаемый метод расчета теплопроводности позволяет производить адекват¬ный прогноз этого важнейшего показателя пенокерамобетона с учетом заданных температурно-влажностных условий эксплуатации.
9. Установлены основные закономерности влияния рецептурно¬технологических факторов на физико-технические свойства разработанных пено- керамобетонов. Подобраны режимы температурной обработки, позволяющие эф¬фективно управлять процессами формирования микроструктуры пенокерамобето¬на и обеспечивающие достижение требуемого уровня эксплуатационных показате¬лей материала.
10. Разработан метод проектирования составов пенокерамобетонов различно¬го назначения с заданными свойствами, учитывающий химико-минералогический состав сырьевых компонентов, их влияние на процесс получения пеноминераль¬ных масс, термическое спекание материала межпоровых перегородок и формиро¬вание стеклокристаллической микроструктуры.
Практическое значение работы:
1. Разработаны реализуемые на практике научно-практические основы техно¬логии изготовления пенокерамобетонов с улучшенными эксплуатационными по¬казателями по сравнению с существующими видами пенокерамики.
2. Найдены технологические решения, позволившие существенно расширить минерально-сырьевую базу для производства пеностеклокерамических материалов за счет применения в качестве основного компонента доступного и широко рас-пространенного природного сырья из опалкристобалитовых или алюмосиликат¬ных горных пород.
3. Установлено оптимальное сочетание требуемых строительно-технических характеристик пенокерамобетонов на основе модифицированного опочного или глинистого сырья в зависимости от назначения материала и УСЛОВИЙ его эксплуа¬тации.
4. С использованием технологии пенокерамобетона определены режимы по¬лучения строительных материалов следующего функционального назначения:
- общестроительные: теплоизоляционные со средней плотностью 300...350 KT/Mj, теплопроводностью не более 0,085 Вт/(м-°С), прочностью при сжатии 1,3... 1,5 МПа и сорбционным увлажнением до 4,5 %;
конструкционно-теплоизоляционные со средней плотностью 450... 1100 кг/м"5, прочностью при сжатии 1,8...12 МПа, теплопроводностью 0,11...0,19 Вт/(м-°С) и сорбционным увлажнением до 4,1 %;
- жаростойкие: со средней плотностью 350...450 KT/Mj, прочностью при сжа¬тии 1,1... 1,5 МПа, термостойкостью 15 циклов, теплопроводностью 0,09...0,12 Вт/(м-°С) и температурой эксплуатации до 1250 °С.
5. Разработаны нормативные и регламентирующие документы для производ¬ства и применения пенокерамобетонов из опочного сырья: технические условия ТУ 575400-001-68365026-11 «Изделия и материалы из пенокерамобетона»; конст¬руктивные решения ограждающих конструкций с использованием изделий из пе¬нокерамобетона внедрены в проектную практику ОАО «Гражданпроект».
6. Произведена компоновка оборудования в технологическую линию по про-изводству пенокерамобетонов, разработаны требования к основным механизмам, применяемому сырью и технологическим режимам.
Реализация результатов исследований. Основные положения и полученные результаты использованы при разработке и проектировании опытно¬промышленных линий по производству пеноминеральных строительных материа¬лов на ОАО «Стройдеталь №2» (г. Пенза), ООО «Новые технологии» (г. Пенза), ООО «Пенокерамобетон» (г. Пенза) для объектов гражданского и теплоэнергети¬ческого строительства.
В период с 2006 по 2011 гг. на производственной базе ООО «Новые техноло¬гии» налажен промышленный выпуск жаростойких изделий из полученных соста¬вов для внутренней футеровки печей термической обработки стальных деталей. Выпускаемые изделия имеют размеры 250х 120><60 мм и характеризуются макси¬мальной температурой эксплуатации 1250 °С.
Практические результаты проведенных исследований внедрены в производ¬ство на ООО «Пенокерамобетон», ООО «ПБКомпозит», ООО «Новые техноло¬гии». Полученные материалы рекомендованы ОАО «Гражданпроект» для исполь¬зования в строительстве в виде конструктивных решений ограждающих конструк¬ций с применением теплоизоляционных пенокерамобетонов.
Результаты исследований, проведённых в рамках диссертационной работы, составили основу инновационных разработок: проекта «Новые композиционные ячеистые материалы с улучшенными технико-экономическими показателями для объектов жилищного и теплоэнергетического строительства», победившего в кон¬курсе «Старт» в рамках ФЦП по поддержке инноваций в научно-технической сфе¬ре (Москва, 2005 г.); проекта «Разработка и создание инновационной технологии производства пенокерамобетонов с использованием минерального сырья Пензен¬ской области для строительства энергоэффективных зданий», победившего в ре¬гиональном конкурсе инновационных проектов (г. Пенза, 2010 г.).
В 2012 году на основании проведенного конкурсного отбора результаты ис-следований были признаны инновационно-значимыми и получили поддержку вен-чурного фонда Пензенской области. В настоящее время ОАО «Пензенский регио¬нальный фонд поддержки инноваций» осуществляет финансирование работ по внедрению разработанных пенокерамобетонов и сопутствующих изделий в опыт¬но-промышленное производство.
Теоретические и экспериментальные результаты исследований используются в учебном процессе по дисциплинам «Материаловедение. Технология конструк¬ционных материалов», «Строительные материалы», «Методы и средства научных исследований» для студентов, обучающихся по направлению 270800 «Строитель¬ство».
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-практических конференциях, в том чис¬ле:
- научно-практической конференции по результатам реализации в 2003 г. Межотраслевой программы сотрудничества Минобразования РФ и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (Москва, МГСУ, 2003 г.);
- VIII Академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспекти¬вы развития строительного материаловедения» (Самара, СГАСУ, 2004);
- X Академических чтениях РААСН «Достижения, проблемы и перспектив¬ные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Пенза-Казань, ПГУАС-КГАСУ, 2006 г.);
- международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, ПГУАС, 2005 и 2007 г.);
- международном конгрессе SIB-08 «Наука и инновации в строительстве» (Воронеж, ВГАСУ, 2008 г.);
- VI и VII Международных конгрессах по бетонам и конструкциям «Global Construction: Ultimate Concrete Opportunities» и «Concrete: constructions sustainable option», проходивших в 2005 и 2008 гг. (Великобритания, Университет г.Данди).
В рамках разрабатываемого направления аспирантами под руководством автора защищены две диссертации на соискание ученой степени кандидата техн.наук.
Результаты выполненных исследований, образцы пенокерамобетонов и изделия из них демонстрировались и удостоились: дипломов РААСН в конкурсе на лучшие научные и творческие работы в области строительных наук (Москва, 2001 и 2004 г.); диплома Лейпцигской международной строительной выставки «Baufach» (Лейпциг, 2002 г.); диплома конкурса, учреждённого правительством Республики Татарстан в номинации «Лучшие инновационные разработки, привлекательные для реализации на территории Республики Татарстан» (Москва, ВВЦ, 2007 г.); ди¬плома Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Москва, ВВЦ,
2007 г.); золотых медалей Всероссийского выставочного центра на III и VIII Мос¬ковских международных форумах инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2003 и
2008 г.), бронзовой медали II Всероссийского форума «Российским инновациям - российский капитал» (Саранск, 2009 г.); научной стипендии Губернатора Пензен¬ской области (2003 г.); Благодарственного письма Губернатора Пензенской облас¬ти (2012 г.).
На защиту выносятся следующие положения:
- принципы создания высококачественных пенокерамобетонов, основанные на направленной модификации материала-основы с целью формирования мине-рально-фазового состава с заданным комплексом теплофизических и прочностных свойств;
- закономерности структурно-фазовых изменений, происходящих в условиях пирогенного синтеза минерально-фазового состава пенокерамобетона с установле¬нием рациональных границ варьирования основных рецептурных и технологиче¬ских факторов; результаты экспериментальных исследований и математические модели влияния рецептурных факторов и технологических параметров на структу¬ру и свойства получаемых материалов;
- прикладные основы для разработки оптимальных составов различных видов пенокерамобетона с заданными свойствами, включающие методы проектирования пенокерамобетонов различного назначения с учетом химико-минералогического состава сырьевых компонентов, а также методы прогнозирования изменения теп¬лоизолирующих свойств при эксплуатации; критерии подбора сырьевых компо¬нентов с учетом их влияния на свойства минерализованных пен и материала;
- оптимальные составы и технология производства эффективных теплоизоля-ционных, конструкционно-теплоизоляционных и жаростойких пенокерамобето¬нов; результаты исследования эксплуатационных свойств разработанных материа¬лов (прочностные свойства, стойкость к термическим циклам, теплопроводность);
- результаты внедрения в производство, а также опытно-промышленных ис¬пытаний разработанных материалов.
Достоверность и объективность результатов исследований обеспечивается использованием методически обоснованного комплекса структурно¬чувствительных методов анализа (рентгенографического, электрокинетического, химико-аналитического, ИК-спектрометрического, фотоэлектроколориметрическо¬го, микроскопического), современных средств измерений, статистической обра¬боткой результатов, а также совпадением экспериментальных и расчетных данных.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 104 рабо¬тах, в том числе 16 статьях в профильных рецензируемых научных журналах, ре-комендованных ВАК РФ, 6 статьях в рецензируемых зарубежных научных изда¬ниях. Результаты исследований обобщены в 6 научных монографиях. Новизна на-учно-технических решений подтверждена 6 патентами РФ на изобретения.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введе¬ния, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Она содержит 388 страниц машинописного текста, в том числе 168 рисунков и 94 таблицы. Библиография включает 242 наименования.
Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» и в НОЦ по направлению «Нанотехнологии» ФГБОУ ВПО «Московский государст¬венный строительный университет».

bibliography

Выводы
1. Выполнено обоснование и разработаны эффективные конструктивные ре¬шения рабочих механизмов перемешивающих устройств для получения пенокера- мобетонных смесей. Спроектированы и изготовлены основные узлы опытно-промышленной линии. Разработана и скомпонована опытно-промышленная линия по производству пенокерамобетонов.
2. Исследованы закономерности формирования поровой структуры пеномине-ральных систем с учетом конструктивных особенностей перемешивающего обору-дования.
3. Установлено, что релогические свойства сырьевых смесей значительно влияют на процесс вспенивания материала.
4. Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований позво¬лил уточнить существующую методику расчета мощности привода высокоскоро¬стных мешалок, применяемых при производстве материалов с использованием ме¬тода сухой минерализации пены: повышение точности расчета достигнуто введе¬нием в расчетную зависимость для вычисления критерия Рейнольдса коэффициен¬та (К,), учитывающего конструктивные особенности лопастей мешалки и вид пено¬образователя.
5. Получены математические зависимости, позволяющие учесть конструктив¬ные особенности мешалки, вид пенообразователя, а также кратность пены и ис¬пользовать эти параметры в расчете Reu.
6. В условиях экспериментально-промышленного производства изготовлены ячеистые материалы с улучшенными технико-экономическими показателями для жилищного строительства и жаростойкие легковесы для объектов теплоэнергети-ческого строительства.
7. Проведена успешная промышленная апробация результатов исследований, в рамках инновационного проекта: «Новые композиционные ячеистые материалы с улучшенными технико-экономическими показателями для объектов жилищного и теплоэнергетического строительства. Технология их изготовления с использова¬нием местных минеральных ресурсов и техногенных отходов» - победителя кон¬курса «Старт 05/06» федеральной целевой программы поддержки инновационных разработок в научно-технической сфере (Москва, 2005 г.).
8. Технико-экономическими расчётами установлено, что применение разрабо-танной методологии проектирования составов ПКБ, основанной на управлении процессами формирования минерально-фазового состава материала, а также ис-пользование доступных и широко распространенных горных пород позволяет по-лучить ячеистые материалы с высоким уровнем конкурентоспособности:
- стоимость разработанных пенокерамобетонов общестроительного назначе¬ния на 15 % ниже стоимости неавтоклавных ячеистых бетонов, широко исполь¬зуемых в современном строительстве. Получаемый при этом экономический эф¬фект от внедрения ПКБ для жилищного строительства связан с уменьшением рас¬хода цемента до 40...60 кг на 1 Mj. Высокая конкурентоспособность разработанных материалов обеспечивается улучшением прочностных и теплофизических свойств, снижением усадочных деформаций. Экономический эффект при использовании опочного пенокерамобетона в сравнении с пенодиатомитом составляет 2,5 млн. руб. на 1 тыс. м3.
- стоимость разработанного жаростойкого пенокерамобетона в 2 раза меньше существующих аналогичных материалов при сопоставимых физико-механических показателях и эксплуатационных затратах. Экономический эффект при использо¬вании жаростойкого пенокерамобетона составляет 6,52 млн. руб. на 1 тыс. м3.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. С использованием системного подхода разработаны научно-технологические принципы получения ПКБ, установлены закономерности созда¬ния и улучшения качества пенокерамобетонов на основе широко распространен¬ных алюмосиликатных и кремнистых осадочных горных пород путем направлен¬ного формирования минерально-фазового состава и поровой структуры материала с учетом оптимизации рецептурно-технологической системы по критериям: «тем¬пература спекания», «прочность» и «теплопроводность».
Разработана и обоснована методология исследования зависимостей «состав- свойство» для решения оптимизационных задач, возникающих при проектирова¬нии ПКБ с заранее заданными свойствами.
2. Проведенными исследованиями установлено:
- незначительное количество (10... 15 %) гидравлического вяжущего, вводимо¬го в состав ячеистого материала в качестве технологической связки, обеспечивает достаточную прочность пенокерамобетонному сырцу, а в процессе термической обработки является реакционно-активным веществом, продукты гидратации (де-гидратации) которого вступают во взаимодействие с алюмосиликатными и кремни-стыми компонентами сырьевой смеси и формируют кристаллические фазы, упроч-няющие структуру пенокерамобетона;
- эффективное управление процессами формирования фазового состава мате-риала и повышение качества ПКБ достигается за счет выбора вида цемента и кор-ректирующих добавок, способствующих образованию легкоплавких эвтектик и по-лучению высокопрочных и малотеплопроводных стекловидных фаз.
3. Разработан метод проектирования составов ПКБ на основе принципа фор-мирования требуемого фазового состава межпоровых перегородок и доминирую¬щего влияния свойств материала-основы на важнейшие эксплуатационные показа¬тели пористого материала. В предлагаемом методе используются расчетные зна¬чения теплофизических и прочностных характеристик ПКБ, полученные с учетом свойств материала-основы, структурных показателей и условий эксплуатации (температура, влажность и др.).
4. Предложены рецептурно-технологические решения, позволяющие сущест-венно улучшить качество пенокерамобетонов на основе рассмотрения и экспери-ментального изучения механизма формирования и проявления в процессе эксплуа-тации изделий теплопроводящих и прочностных свойств, а также влажностной усадки, гигроскопичности, термостойкости, плотности, параметров порового про¬странства.
5. Сформулированы критерии оценки качества керамического сырья примени-тельно к пенокерамобетонам. Для обеспечения устойчивости пенокерамобетонной массы рекомендуется использовать природные минеральные компоненты, имею¬щие следующие показатели: дзета-потенциал от -13,5 mV и выше; коэффициент гидрофильности более 3,5; отсутствие в составе соединений, насыщающих водный раствор ионами Са2+ и Mg2+свыше 0,05 %; значение pH водного раствора более 8.
6. Впервые установлен характер влияния пенообразователей, комплексных добавок (содержащих пластификаторы, стабилизаторы, плавни), а также вида це¬мента на процессы формирования структуры материала-основы ПКБ. Показано, что с использованием синергетического эффекта, возникающего при оптимальном количестве корректирующих добавок, возможно получить материал с заданным комплексом эксплуатационных показателей. Получены количественные значения адсорбции ПО на поверхности частиц минеральной фазы, которые показали, что наименьшей адсорбирующей способностью характеризуются опока (3,0...4,1 мг/г) и диатомит (2,61...9,1 мг/г). Причем величина адсорбции ПО на поверхности час¬тиц кремнистых пород в 3...4 раза меньше, чем на поверхности глин. Это разли¬чие является одной из причин ухудшения устойчивости пены при ее наполнении некоторыми видами глин.
7. Предложена методика выбора вида и количества пенообразователя, учиты-вающая влияние различных факторов на устойчивость пеномасс, а также на про¬цессы схватывания и твердения, материала. Выявлено, что в присутствии пласти¬фикатора и стабилизатора наблюдается увеличение концентрации пенообразовате¬ля в растворе, позволяющее уменьшить количество вводимого пенообразователя для получения ПКБ требуемой плотности и снизить его негативное влияние на процесс твердения и прочность
8. Установлено, что в качестве добавок-плавней целесообразно использовать натрий-, фтор- и свинецсодержащие компоненты. Экспериментальными исследо-ваниями подтверждено, что введение в состав ПКБ указанных добавок способству¬ет значительному увеличению прочности материала-основы ПКБ и сохранению
высоких теплоизолирующих показателей в процессе эксплуатации за счет резкого снижения сорбционного увлажнения материала по сравнению с традиционными ячеистыми бетонами.
9. Показано, что добавки-плавни на основе фосфатов, фторидов и карбонатов натрия не оказывают заметного влияния на свойства ненаполненной пены. Однако при наполнении пен алюмосиликатными компонентами сырьевой смеси ПКБ, ока-зывающими на пену негативное воздействие, введение вышеуказанных добавок способствует повышению устойчивости пеномассы. Установлено, что введение добавок-плавней приводит к увеличению относительного содержания частиц гли-нистых фракций, что благоприятно сказывается на устойчивости вспененных сус-пензий, а также способствует ускорению процесса спекания при температурной обработке. Предложенные добавки обладают полифункциональным действием, что подтверждается исследованиями реологических свойств: помимо улучшения ос-новных эксплуатационных показателей их введение сопровождается воздухововле-кающим и водоредуцирующим эффектами, что позволяет интенсифицировать про¬цесс воздухововлечения и снизить влажность ПКБ-сырца.
10. На основании термодинамических расчётов составлена схема возможных минералообразующих процессов, происходящих при обжиге минеральных систем, характерных для составов ПКБ. Методом РФ А установлен фазовый состав пеноке- рамобетонов различного назначения и подтверждено, что после обжига в материа¬ле происходит образование минеральных фаз, способствующих получению мате¬риала с требуемым комплексом эксплуатационных свойств.
11. С использованием нового рецептурно-технологического подхода разрабо-таны составы пеноминеральных систем на основе кремнистых (опочных) и алюмо-силикатных (глинистых) осадочных горных пород, предназначенные для изготов¬ления однослойных и многослойных ограждающих конструкций, применяемых в гражданских зданиях и теплоэнергетических сооружениях.
12. Разработаны составы жаростойких ПКБ и подобраны оптимальные соот-ношения между основными компонентами сырьевых смесей, состоящих из ВГЦ и легкоплавких глин. Получены жаростойкие ПКБ плотностью 400...500 кг/м-5 со следующими показателями свойств: прочность на сжатие до первого нагрева - 0,7... 1,0 МПа, прочность после первого нагрева до температуры 1250 °С - 1,0... 1,4 МПа, термостойкость - 10... 12 циклов воздушных теплосмен.
Разработаны составы теплоизоляционных ПКБ общестроительного назначе¬ния и подобраны оптимальные соотношения между основными компонентами сырьевых смесей на основе портландцементных вяжущих (ПЦ, ШПЦ, ППЦ) и кремнистых горных пород.
Получены ПКБ общестроительного назначения плотностью 350...500 кг/м3, характеризующиеся прочностью при сжатии после обжига 0,7... 1,2 МПа, тепло-проводностью 0,095...0,11 Вт/(м-°С), сорбционное увлажнение которых не превы¬шает 2 и 4,5 % (соответственно при относительной влажности воздуха 75 и 97 %).
Полученные составы ПКБ имеют более высокие показатели свойств, чем ана-логичные материалы на основе пенодиатомита и неавтоклавного пенобетона.
13. Разработан алгоритм оптимизации составов как материала-основы, так и пенокерамобетонов с использованием полученных регрессионных зависимостей «состав-технологическое воздействие-свойство».
14. Разработано новое направление по решению крупной проблемы строи¬тельно-технологической отрасли, связанное с повышением эффективности тепло¬защиты зданий, технологических объектов и технологического оборудования, сни¬жением себестоимости строительства и экономией энергоресурсов. В основе пред¬лагаемых решений лежит широкое применение повсеместно распространенных природных сырьевых ресурсов, составляющих минеральную основу всех разрабо¬танных составов пенокерамобетонов.
Определены рациональные области применения и технико-экономическая эффективность производства разработанных пенокерамобетонов.