Антоненко Марина Вячеславовна. Мелкозернистый бетон с полифункциональной анатаз-кремнеземной добавкой для самоочищающихся изделий

Краткое описание

Антоненко Марина Вячеславовна. Мелкозернистый бетон с полифункциональной анатаз-кремнеземной добавкой для самоочищающихся изделий;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»], 2021

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА»
На правах рукописи

АНТОНЕНКО МАРИНА ВЯЧЕСЛАВОВНА
МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН С ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АНАТАЗ-КРЕМНЕЗЕМНОЙ ДОБАВКОЙ ДЛЯ САМООЧИЩАЮЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ
Специальность 2.1.5. Строительные материалы и изделия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Строкова Валерия Валерьевна
Белгород 2021

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 12
1.1 Требования, предъявляемые к изделиям из мелкозернистого бетона
для наружного использования 13
1.2 Основы фотокатализа и опыт применения фотокаталитических материалов при производстве строительных композитов 21
1.3 Принципы получения и свойства фотокаталитических композиционных материалов для цементных систем 28
1.3.1 Виды и способы получения фотокаталитических композиционных материалов 28
1.3.2 Факторы, влияющие на фотокаталитическую активность 35
1.4 Влияние компонентов сырьевой смеси на процессы гидратации
и твердения цемента 39
1.5 Выводы 48
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 50
2.1 Характеристика применяемых материалов 50
2.2 Методы исследования 55
2.3 Методика синтеза фотокаталитического композиционного материала 60
2.4 Выводы 61
3 СОСТАВ И СВОЙСТВА АНАТАЗ-КРЕМНЕЗЕМНОГО ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
КАК ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДОБАВКИ
ДЛЯ ЦЕМЕНТНОЙ СИСТЕМЫ 62
3.1 Методология исследования анатаз-кремнеземного фотокаталитического материала (АКФМ) 62
3.2 Состав и структурные особенности АКФМ 67

3
3.3 Физико-химические свойства АКФМ 82
3.4 Фотокаталитическая активность АКФМ в зависимости от состава... 91
3.5 Выводы 94
4 СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДОБАВКИ АНАТАЗ- КРЕМНЕЗЕМНОГО МАТЕРИАЛА 97
4.1 Методология исследования цементной системы с
полифункциональной анатаз-кремнеземной добавкой 97
4.2 Установление оптимальной дозировки кремнеземной добавки
в составе цементного вяжущего 100
4.3 Влияние добавки АКФМ на свойства цементного теста 106
4.4 Сравнительная оценка кинетики набора и расчёт прогнозируемой прочности цементного камня с добавкой АКФМ 115
4.5 Оценка фрактальной размерности дефектов структуры, формируемых при трещинообразовании цементного камня
с добавкой АКФМ 123
4.6 Влияние добавки АКФМ на фазообразование
при гидратации цемента 126
4.7 Фотокаталитическая активность цементного камня
в зависимости от состава 136
4.8 Выводы 138
5 МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН С ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ ДЛЯ САМООЧИЩАЮЩИХСЯ КАМНЕЙ БЕТОННЫХ СТЕНОВЫХ 143
5.1 Состав и свойства мелкозернистого бетона с использованием полифункциональной анатаз-кремнеземной добавки 144
5.2 Фотокаталитическая активность мелкозернистого бетона
с использованием АКФМ с учетом атмосферных факторов 153

4
5.3 Технология получения камней бетонных стеновых лицевых самоочищающихся 158
5.4 Технико-экономическое обоснование эффективности производства мелкозернистого бетона с полифункциональной
добавкой для самоочищающихся камней бетонных стеновых 162
5.5 Внедрение результатов исследований 168
5.6 Выводы 169
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 175
ПРИЛОЖЕНИЯ 194
Приложение А. Титульный лист технологического регламента на производство фотокаталитического анатаз-кремнеземного
композиционного материала 195
Приложение Б. Титульный лист стандарта организации на камни лицевые с использованием фотокаталитического композиционного
материала 196
Приложение В. Титульный лист технологического регламента на производство камней лицевых с использованием фотокаталитического
композиционного материала 197
Приложение Г. Акт выпуска опытной партии фотокаталитического
композиционного материала на основе диатомита 198
Приложение Д. АКТ выпуска опытной партии камней лицевых с

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования. Дополнены теоретические представления о процессах структурообразования мелкозернистого бетона при использовании анатаз-кремнеземного материала на основе диатомита, получаемого золь-гель осаждением TiO2 на кремнеземный носитель, в качестве полифункциональной добавки при получении фотокаталитически активного бетона для самоочищающихся изделий, обеспечивающего снижение расхода фотокатализатора, равномерность его распределения и закрепление в цементной матрице, протекание пуццолановой реакции, что позволяет обеспечить требуемые физико-механические характеристики бетона при высокой фотокаталитической активности.
Обосновано и экспериментально подтверждено технологическое решение, обеспечивающее получение мелкозернистого бетона для самоочищающихся изделий за счет использования анатаз-кремнеземного материала на основе диатомита в качестве полифункциональной добавки. Введение данной добавки обеспечивает высокую фотокаталитическую активность (не менее 64 %) с получением самоочищающихся изделий с заданными физико-механическими характеристиками за счет: равномерного распределения фотокатализатора в строительной смеси; высокой активной удельной поверхности добавки, способствующей сорбции органических веществ и протекания реакций их фотокаталитического окисления при использовании кремнеземной подложки для фотокатализатора; химического сродства кремнеземной составляющей добавки с продуктами гидратации цемента и реализации пуццолановой реакции. Совмещение фотокаталитической и пуццолановой способности при эксплуатации разработанного мелкозернистого бетона обеспечивает сохранение высокой способности к самоочищению поверхности композита на более длительный срок за счет снижения степени карбонизации цементного камня.

173
Установлен характер влияния растворителя (спирт этиловый) и стабилизатора золя (азотная кислота) в технологии золь-гель осаждения TiO2 на кремнеземную подложку на структуру, физико-химические свойства и фотокаталитическую активность анатаз-кремнеземного материала как полифункциональной добавки для самоочищающихся изделий. Полученные анатаз-кремнеземные материалы проранжированы по повышению равномерности распределения фотокаталитического агента на поверхности диатомита и, как следствие, фотокаталитической активности в последовательности: с добавкой кислоты ^ базовый состав ^ с добавкой спирта. Пуццолановая активность повышается в последовательности: с добавкой кислоты ^ с добавкой спирта ^ базовый состав.
Установлены закономерности влияния полифункциональной анатаз- кремнеземной добавки на свойства, процессы фазо- и структурообразования цементного теста и камня. Введение анатаз-кремнеземного материала приводит к загущению цементного теста наноразмерным (анатаз) и высокопористым микроразмерным (диатомит) компонентами добавки; снижению среднего значения начальной скорости твердения вяжущего в 1,7 раза и коэффициента торможения гидратации на 34 % при повышении прочности цементного камня на 56 % по сравнению с вяжущим с промышленным фотокатализатором (TiO2) за счет пуццолановой активности диатомита в составе добавки по отношению к CaO; повышению плотности структуры цементного камня за счет увеличения степени наполнения цементной матрицы, а также развитой морфологии составляющих анатаз-кремнеземного материала и продуктов его реакции (гидросиликатов кальция) с портландитом.
Разработаны составы мелкозернистого бетона с использованием полифункциональной анатаз-кремнеземной добавки для самоочищающихся камней бетонных стеновых лицевых для порядовочной и угловой укладки, позволяющие получать изделия с пределом прочности при сжатии 12-21 МПа, морозостойкостью 50-100 циклов, фотокаталитической активностью 58-67 %.

174
Предложена технология производства самоочищающихся камней бетонных стеновых на основе мелкозернистого бетона с использованием в качестве полифункциональной добавки разработанного анатаз-кремнеземного материала.
Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для внедрения на предприятиях по производству катализаторов и функциональных добавок, выпуску бетонной продукции, а также могут быть использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Строительство», «Материаловедение и технологии материалов» и «Наноматериалы».
Перспективы дальнейших исследований целесообразно рассматривать в направлении расширения спектра носителей фотокаталитических агентов, а также областей применения полифункциональных добавок для строительных композитов на основе различных минеральных вяжущих.