Сумин Артем Валерьевич. Теплоизоляционный пеногазобетон с наноструктурированным модификатором

Короткий опис

Сумин Артем Валерьевич. Теплоизоляционный пеногазобетон с наноструктурированным модификатором: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.23.05 / Сумин Артем Валерьевич;[Место защиты: Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет].- Москва, 2016

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

СУМИН АРТЕМ ВАЛЕРЬЕВИЧ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПЕНОГАЗОБЕТОН
С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ МОДИФИКАТОРОМ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор

Белгород 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 10
1.1. Современные представления о ячеистых бетонах 10
1.2. Добавки-модификаторы для цементного вяжущего 15
1.3. Способы повышения эффективности ячеистых бетонов 22
1.4. Основные тенденции наноструктурирования ячеистых
бетонов 32
1.5. Выводы 36
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ
МАТЕРИАЛЫ 38
2.1. Методы исследования сырьевых и синтезированных
материалов 38
2.2. Характеристика использованных материалов 43
2.3. Выводы 47
3. ОСОБЕННОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОГО
ЦЕМЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ПЕНОГАЗОБЕТОНА 48
3.1. Теоретические предпосылки использования наноструктурированного вяжущего в качестве модификатора
ячеистых композитов 48
3.2. Свойства модифицированного вяжущего
в зависимости от состава 56
3.3. Прогнозирование долговечности и марочной прочности
модифицированного вяжущего 66
3.4. Особенности фазо- и структурообразования модифицированного
цементного камня 71
3.5. Выводы 93
4. СОСТАВ И СВОЙСТВА НЕАВТОКЛАВНОГО
ПЕНОГАЗОБЕТОНА 95
4.1. Оценка качества пенообразователя с учетом особенностей
наноструктурированного компонента модифицированного
вяжущего 95
4.2. Анализ газообразователей с учетом технологических 104
особенностей комплексной поризации
4.3. Физико-механические характеристики пеногазобетона
в зависимости от состава 117
4.4. Структурные особенности пеногазобетона на различных
размерных уровнях 124
4.5. Выводы 130
5. ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОГАЗОБЕТОНА
С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ МОДИФИКАТОРОМ 132
5.1. Технология производства неавтоклавного ячеистого бетона с учетом применения наноструктурированного модификатора
и комплексной поризации 132
5.2. Экономическая эффективность производства теплоизоляционного
пеногазобетона 138
5.3. Внедрение результатов исследований 144
5.4. Выводы 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 150
ПРИЛОЖЕНИЯ 171
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Увеличение нормативных показателей теплозащит-ных свойств ограждающих конструкций зданий определяет высокий объем ис-пользования ячеистых бетонов при строительстве. Их широкая номенклатура поз-воляет достичь современных требований по теплоизоляции в совокупности с не-обходимыми прочностными характеристиками. При этом с позиции экономиче-ской эффективности целесообразным является использование неавтоклавных яче-истых композитов.
Наряду с высокими теплоизоляционными свойствами, неавтоклавный ячеи-стый бетон, как правило, характеризуется невысокой прочностью каркаса и моно¬размерной пористостью. Указанные недостатки возможно компенсировать, с од¬ной стороны, использованием активных модифицирующих компонентов, в том числе наноструктурированных, способных повысить не-сущие характеристики матрицы композита, а с другой - комплексной поризацией системы, что обеспе¬чит формирование гетеропористой ячеистой структуры бетона с пониженной плотностью.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова (договор № А-16/12, 2012-2014 гг.); РФФИ (договора № 14-33-50495, 2014 г.; № 14-43-08020, 2014-2016 гг.).
Степень разработанности темы. В настоящее время существует значи-тельное количество работ, посвященных повышению эффективности производ-ства и применения неавтоклавных ячеистых бетонов, главной целью которых яв-ляется улучшение эксплуатационных свойств композитов при сохранении их теп-лозащитной способности. Для повышения прочностных свойств ячеистого бетона рядом авторов предложено использование композиционных вяжущих - тонкомо-лотые цементы (ТМЦ) или вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), а также мо-дифицированных вяжущих, в составе которых присутствуют активные компонен-ты различного состава и генезиса. Улучшение теплоизоляционных свойств ячеи-стых композитов связано с применением современных эффективных пено- и газо-образующих агентов, а также с их комплексным (совместным) использованием.
В работах, выполненных ранее, обоснована целесообразность использования наноструктурированного модификатора (НМ) силикатного состава при производ¬стве материалов автоклавного твердения. Однако возможность его использования в качестве модификатора матричной и пористой структур неавтоклавных ячеи¬стых пеногазобетонов на основе цемента в комплексе с активированным алюми¬нием не рассматривалась.
Цель и задачи работы. Разработка неавтоклавного теплоизоляционного пеногазобетона с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплекса порообразователей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- обоснование возможности использования наноструктурированного моди-фикатора силикатного состава как стабилизатора структуры ячеистобетонных смесей;
- анализ физико-механических свойств, особенностей фазо- и структурооб-разования модифицированного вяжущего;
- изучение свойств активированного алюминия как газообразующего компо¬нента с позиции комплексной поризации смеси, а также особенностей формиро¬вания макро- и микроструктуры материала;
- разработка составов и изучение свойств теплоизоляционного пеногазобето¬на неавтоклавного твердения с применением наноструктурированного модифика¬тора;
- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экс-периментальных исследований. Промышленная апробация.
Научная новизна. Предложены принципы получения пеногазобетона неав-токлавного твердения, заключающиеся в регулировании процессов формирования гетеропористой структуры и каркаса ячеистобетонной смеси, а также интенсифи¬кации фазо- и структурообразования цементирующего вещества за счет использо¬вания наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплекс¬ной поризации. В процессе получения пены НМ заполняет пространство между пузырьками, что приводит к закупорке каналов Плато-Гиббса, следствием чего является повышение устойчивости пенной структуры во времени и объеме. Это способствует увеличению вязкости пены и, соответственно, снижению явления синерезиса, вызывающего осаждение пенного столба. Г омогенизация газообразо- вателя в присутствии наноструктурированного модификатора под действием уль¬тразвука способствует интенсификации процессов распределения разноразмер¬ных дисперсных компонентов модификатора и газообразователя, а также повы¬шению стабильности системы (отсутствие расслоения).
Установлен механизм влияния наноструктурированного модификатора сили¬катного состава на фазо- и структурообразование цементного камня, заключаю¬щийся в выполнении одновременно роли активной пуццолановой добавки - за счет присутствия коллоидного компонента, и субмикронного наполнителя - за счет полидисперсного состава. Кроме этого, активный коллоидный кремнезем осуществляет силификацию С^-Н(1)-геля в цементном камне, что приводит к формированию на его основе кристаллического гидросиликата кальция - суолу- нита и изменению морфоструктурного строения С^-Н(1)-геля со сменой волок¬нистого облика на мелкочешуйчатый. Введение наноструктурированного моди¬фикатора способствует оптимизации реотехнологических характеристик вяжущей системы; сокращению сроков схватывания вяжущего; интенсификации процессов фазообразования и оптимизации микроструктуры цементирующего вещества, что обуславливает повышение активности и прогнозируемой прочности вяжущего.
Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобе-тона с учетом специфики активированного алюминия и наноструктурированного модификатора, заключающийся в следующем. Высокое содержание активного алюминия, полидисперсный гранулометрический состав и изометричная форма частиц газообразователя обеспечивают интенсивное газовыделение с формирова-нием разноразмерных пор. Это способствует дополнительной поризации пенобе-тонной смеси на макро- (поровое пространство) и на микроуровне (межпоровое пространство) и приводит к формированию структуры с равномерной полидис-персной пористостью. Замена части цемента на наноструктурированный модифи-катор, имеющий более низкую плотность и выступающий в качестве стабилизи-рующего компонента при формировании пеногазомассы, обусловливает стой-кость ячеистобетонной смеси, повышение ее пористости и, как следствие, увели-чение прироста объема ячеистобетонной смеси при сохранении прочностных по-казателей бетона.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования активированного алюминия и наноструктурированного модификатора силикатного состава в каче-стве стабилизаторов структуры пеногазобетонной смеси. Применение комплекс-ной поризации системы, реализованной за счет совместного использования синте¬тического пенообразователя и активированного алюминия АА-Т/7 в качестве га¬зообразователя, способствует формированию гетеропористой структуры компози¬та. НМ структурирует поровое пространство композита за счет стабилизации пе¬ны и равномерного распределения газообразователя в объеме смеси, а также обеспечивает формирование рационального состава новообразований за счет вза¬имодействия продуктов гидратации цемента с высокоактивной (коллоидной) фракцией модификатора. Все это в совокупности обеспечивает получение ячеи¬стых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик.
Предложен состав модифицированного вяжущего с использованием НМ и установлены закономерности влияния модификатора на прогнозируемые показа-тели марочной прочности вяжущего на длительный период.
Разработаны составы неавтоклавного теплоизоляционного пеногазобетона с использованием активированного алюминия АА-Т/7 и наноструктурированного модификатора силикатного состава, позволяющие получать изделия с марками по плотности D400, D500; классом по прочности на сжатие B1; теплопроводностью 0,08 и 0,085 Вт/(м-°С); паропроницаемостью 0,211 и 0,231 мг/(м-ч-Па); сорбцион¬ной влажностью 7,1 и 7,5 %.
Предложена технология производства пеногазобетона неавтоклавного твер-дения и изделий на его основе с учетом технологических особенностей примене¬ния комплексной поризации и наноструктурированного модификатора.
Методология и методы диссертационной работы. Методология построена на известной роли модифицирующих компонентов различного генезиса в каче¬стве составляющих формовочной смеси материалов на основе цемента и согласу¬ется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации. Идея базируется на фундаментальных исследованиях влияния состава, степени дисперсности и активности кремнеземистых компонентов на физико¬механические характеристики строительных композитов различного назначения. Исследования по изучению состава и свойств сырьевых и синтезированных мате¬риалов осуществляли с использованием общепринятых физико-химических и фи¬зико-механических методов. Особенности микро- и макро-структуры сырьевых компонентов, вяжущих веществ и пеногазобетона на их основе изучали, применяя оптическую и электронную микроскопию. Для выявления особенностей каче¬ственного и количественного состава продуктов гидратации модифицированного вяжущего проводили полнопрофильный рентгенофазовый анализ, основанный на методе Ритвельда.
Положения, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возмож-ности использования активированного алюминия и наноструктурированного мо-дификатора силикатного состава в качестве стабилизаторов структуры пеногазо-бетонной смеси;
- принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с исполь-зованием НМ силикатного состава и комплексной поризации;
- механизм влияния наноструктурированного модификатора силикатного со¬става на фазо- и структурообразование цементного камня;
- расчет прогнозируемой прочности модифицированного вяжущего;
- механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобетона с уче¬том специфики НМ и активированного алюминия;
- рациональные составы и технология производства пеногазобетона неавто-клавного твердения с применением наноструктурированного модификатора и ак-тивированного алюминия АА-Т/7;
- результаты внедрения.
Степень достоверности результатов работы подтверждается проведени-ем экспериментальных исследований на высоком техническом уровне с достаточ-ной воспроизводимостью, реализованных за счет применения современной аппа-ратурной базы и стандартизированных методов исследований. При проведении испытаний использовалось поверенное и аттестованное оборудование. Установ-лена сходимость теоретических исследований и экспериментальных данных. Ре-зультаты, полученные в работе, согласуются с опубликованными эксперимен-тальными данными других авторов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: Всероссийской научно-практической конференции: «Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012 г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых «Исследования и инновации в вузе» (Белгород, 2012 г.); Международных научно¬практических конференциях «Строительный комплекс России. Наука. Образова¬ние. Практика» (Улан-Удэ, 2012 г.); «Актуальные вопросы образования, науки и техники» (Донецк, 2013 г.); «Наукоемкие технологии и инновации» (Белгород, 2014 г.); «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, 2015 г.); «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2015 г.); Международном молодежном форуме «Образование, наука, производство» (Бел¬город, 2015 г.).
Подана заявка на изобретение (№ 2015156090 от 25.12.2015 г.). Зарегистри-ровано ноу-хау (№ 20150005 от 15.04.2015 г.).
Внедрение результатов исследований. Апробация разработанных составов и технологии в промышленных условиях осуществлялась на ООО «Экостройма-териалы» (Белгородская область). Подписаны протоколы о намерениях по внед-рению результатов исследований: с ЗАО «Белгородский цемент» - по разработке модифицированного вяжущего; с ООО «Экоэнерготех» - по получению газообра¬зующей суспензии с наноструктурированным модификатором.
Для внедрения результатов исследования разработаны следующие техниче-ские документы: Рекомендации по использованию наноструктурированного мо-дификатора при производстве неавтоклавного пеногазобетона; Рекомендации по использованию активированного алюминия АА-Т/7 в качестве газообразователя при получении пеногазобетона; Стандарт организации СТО 02066339-021-2014 «Неавтоклавный пеногазобетон с использованием наноструктурированного мо-дификатора. Технические условия»; Технологический регламент на производство неавтоклавного пеногазобетона с наноструктурированным модификатором.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты эксперимен¬тальных исследований и промышленной апробации используются в учебном про¬цессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 - «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Наносистемы и трансфер технологий», магистров по направлению 08.04.01 - «Строительство» профиля подготовки «Наносистемы в строительном материаловедении» в ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологиче¬ский университет им. В.Г. Шухова».
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 16 научных публикациях, в том числе 4 ста-тьях в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, реко-мендованных ВАК (3 - в российских рецензируемых научных журналах, 1 - в журнале, входящем в международную реферативную базу данных и систему ци-тирования Chemical Abstracts).
Личный вклад автора. Автором разработаны теоретические и практические принципы использования наноструктурированного модификатора и активированного алюминия при получении теплоизоляционного пеногазобетона. Установлен характер влияния наноструктурированного модификатора силикатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня. Предложен механизм формирования гете¬ропористой структуры пеногазобетона с учетом специфики НМ и особенностей ком¬понентов комплексной поризации. Разработаны составы неавтоклавного пеногазобе¬тона. Проведена апробация и оценка технико-экономической эффективности внедре¬ния пено-газобетона.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включающего 36 таблиц, 57 рисунков, списка литературы из 228 наименований, 13 приложений.

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги исследования:
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования активированного алюминия и наноструктурированного модифика¬тора силикатного состава в качестве стабилизаторов структуры пеногазобетонной смеси. Применение комплексной поризации системы, реализованной за счет сов¬местного использования синтетического пенообразователя и активированного алюминия АА-Т/7 в качестве газообразователя, способствует формированию ге¬теропористой структуры композита. НМ структурирует поровое пространство композита за счет стабилизации пены и равномерного распределения газообразо¬вателя в объеме смеси, а также обеспечивает формирование рационального соста¬ва новообразований за счет взаимодействия продуктов гидратации цемента с вы-сокоактивной (коллоидной) фракцией модификатора. Все это в совокупности обеспечивает получение ячеистых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик.
2. Предложены принципы получения пеногазобетона неавтоклавного тверде¬ния, заключающиеся в регулировании процессов формирования гетеропористой структуры и каркаса ячеистобетонной смеси, а также интенсификации фазо- и структурообразования цементирующего вещества за счет использования нано¬структурированного модификатора силикатного состава и комплексной пориза- ции. В процессе получения пены НМ заполняет пространство между пузырьками, что приводит к закупорке каналов Плато-Г иббса, следствием чего является повы¬шение устойчивости пенной структуры во времени и объеме. Это способствует увеличению вязкости пены и, соответственно, снижению явления синерезиса, вы¬зывающего осаждение пенного столба. Г омогенизация газообразователя в присут¬ствии наноструктурированного модификатора под действием ультразвука способ-ствует интенсификации процессов распределения разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газообразователя, а также повышению стабильно¬сти системы (отсутствие расслоения).
3. Установлен механизм влияния наноструктурированного модификатора си¬ликатного состава на фазо- и структурообразование цементного камня, заключа¬ющийся в выполнении одновременно роли активной пуццолановой добавки - за счет присутствия коллоидного компонента, и субмикронного наполнителя - за
счет полидисперсного состава. Кроме этого, активный коллоидный кремнезем осуществляет силификацию С^-Н(1)-геля в цементном камне, что приводит к формированию на его основе кристаллического гидросиликата кальция - суолу- нита и изменению морфоструктурного строения С^-Н(1)-геля со сменой волок¬нистого облика на мелкочешуйчатый. Введение наноструктурированного моди¬фикатора способствует оптимизации реотехнологических характеристик вяжущей системы; сокращению сроков схватывания вяжущего; интенсификации процессов фазообразования и оптимизации микроструктуры цементирующего вещества, что обуславливает повышение активности и прогнозируемой прочности вяжущего.
4. Предложен механизм формирования гетеропористой структуры пеногазобе¬тона с учетом специфики активированного алюминия и наноструктурированного модификатора, заключающийся в следующем. Высокое содержание активного алюминия, полидисперсный гранулометрический состав и изометричная форма частиц газообразователя обеспечивают интенсивное газовыделение с формирова¬нием разноразмерных пор. Это способствует дополнительной поризации пенобе¬тонной смеси на макро- (поровое пространство) и на микроуровне (межпоровое пространство) и приводит к формированию структуры с равномерной полидис¬персной пористостью. Замена части цемента на наноструктурированный модифи¬катор, имеющий более низкую плотность и выступающий в качестве стабилизи¬рующего компонента при формировании пеногазомассы, обусловливает стой¬кость ячеистобетонной смеси, повышение ее пористости и, как следствие, увели¬чение прироста объема ячеистобетонной смеси при сохранении прочностных по¬казателей бетона.
5. Предложен состав модифицированного вяжущего с использованием НМ и установлены закономерности влияния модификатора на прогнозируемые показа¬тели марочной прочности вяжущего на длительный период.
6. Разработаны составы неавтоклавного теплоизоляционного пеногазобетона с использованием активированного алюминия АА-Т/7 и наноструктурированного модификатора силикатного состава, позволяющие получать изделия с марками по плотности D400, D500; классом по прочности на сжатие B1; теплопроводностью 0,08 и 0,085 Вт/(м-°С); паропроницаемостью 0,211 и 0,231 мг/(м-ч-Па); сорбцион¬ной влажностью 7,1 и 7,5 %.
7. Предложена технология производства пеногазобетона неавтоклавного твер¬дения и изделий на его основе с учетом технологических особенностей примене¬ния комплексной поризации и наноструктурированного модификато-ра. Для рения результатов исследования был разработан ряд нормативных документов, в том числе рекомендации по использованию добавки и активированного алюми¬ния, технологический регламент на производство пеногазобетона и стандарт ор¬ганизации, отражающий технические характеристики готовых изделий. Внедре¬ние результатов диссертационной работы в учебный процесс осуществляется при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий для бакалавров и магистров по направлению «Строительство» в ФГБОУ ВО «Белгородский госу-дарственный технологический университет им. В.Г. Шухова».
8. Производство пеногазобетона, а также апробация разработанных составов производились как на базе опытно-промышленного участка БГТУ им. В.Г. Шухо¬ва - Опытно-промышленного цеха наноструктурированных композиционных ма¬териалов, так и в условиях реального производства - выпуск опытной партии на базе ООО «Экостройматериалы». Экономическая эффективность производства и применения исследуемых в рамках работы материалов неавтоклавного твердения обеспечивается за счет применения наноструктурированного модификатора и комплексного способа поризации системы, что позволяет экономить цементное вяжущее, а также получать изделия с оптимальными технико-эксплуатационными характеристиками.
9. Рекомендации.
Теоретические и экспериментальные результаты диссертационного исследо¬вания могут быть рекомендованы для расширенного внедрения: на предприятиях по производству изделий из неавтоклавного ячеистого бетона в различных регио¬нах РФ с учетом специфики сырьевой базы; при подготовке бакалавров и маги¬стров направлений «Строительство», «Материаловедение и технология материа¬лов».
10. Перспективы дальнейшей разработки темы.
С позиций анализа фазовых и структурных трансформаций в системе «цемент - наноструктурированный модификатора», работу целесообразно продолжить в направлении изучения возможности использования модификатора алюмосили¬катного состава на основе сырья различного генезиса.
В связи с существенным запасом прочности изделий имеются предпосылки для изучения возможности получения пеногазобетонов низких марок по плотно¬сти, что позволит существенно расширить области использования изделий.
Целесообразно проанализировать поведение и изменение физико¬механических характеристик, а также фазово-структурные преобразования изде¬лий в процессе эксплуатации.