WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ИЩЕНКО КОНСТАНТИН МИХАЙЛОВИЧ

ФОРМОВАННЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВСПУЧЕННОГО ПЕРЛИТОВОГО ПЕСКА

05.23.05 Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Сулейманова Людмила Александровна Официальные оппоненты – Урханова Лариса Алексеевна доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой производства строительных материалов и изделий Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления Аниканова Татьяна Викторовна – кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры архитектурных конструкций Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Защита состоится “27” декабря 2012 года в 14-30 час. на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете (БГТУ) им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «БГТУ им. В.Г. Шухова».

Автореферат разослан “26” ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф. Г. А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность. В настоящее время в строительстве возросла потребность в экологически чистых, высокоэффективных негорючих теплоизоляционных материалах.

К таким перспективным композитам относятся теплоизоляционные материалы с использованием вспученного перлитового песка на различных связующих, определяющих их свойства и области применения.

Однако на сегодняшний день вспученный перлитовый песок, обладающий такими уникальными свойствами, как низкая средняя плотность и теплопроводность, экологичность, в основном используется в качестве теплоизоляционной засыпки, не находя должного применения при производстве формованных теплоизоляционных изделий, в том числе и с применением отходов его производства.

Разработка новых эффективных формованных теплоизоляционных материалов возможна с применением гидрофобизированного полидисперсного заполнителя с использованием вспученного перлитового песка и отходов его производства.

Работа выполнена в рамках государственного задания на оказание услуг по тематическому плану научно-исследовательских работ 7.4211.2011 «Разработка теоретических основ получения высококачественных бетонов нового поколения с учетом генетических особенностей нанодисперсных модификаторов».

Целью работы является получение эффективных формованных теплоизоляционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками с использованием гидрофобизированного полидисперсного заполнителя на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– оптимизация гранулометрического состава заполнителя на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства с целью создания высокоплотной смеси;

– разработка составов и режимов формования теплоизоляционных материалов на различных связующих с применением полидисперсного заполнителя;

– повышение долговечности формованных теплоизоляционных материалов на различных связующих;

– разработка технологии производства эффективных формованных теплоизоляционных материалов;

– разработка нормативных документов на производство и применение теплоизоляционных материалов. Внедрение результатов исследований.

Научная новизна работы. Предложены принципы получения эффективных формованных теплоизоляционных материалов с учетом использования гидрофобизированного полидисперсного заполнителя на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства, заключающиеся в применении модифицированных связующих, оптимизации гранулометрии заполнителя, позволяющей создать высокоплотную бинарную смесь и теплоизоляционные материалы на ее основе с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Установлено рациональное соотношение вспученного перлитового песка и перлитовой пыли (10:1), позволяющее получить более однородные по составу системы «стекло жидкое натриевое – вспученный перлитовый песок» и «битум – вспученный перлитовый песок» с пониженным водопоглощением при прочих равных условиях, за счет более равномерного распределения зерен вспученного перлитового песка в общей массе смеси с заполнением пор и пустот между крупными зернами вспученного перлитового песка мельчайшими частицами перлитовой пыли и, как следствие, более полным заполнением зерен перлита связующим.

Определена возможность повышения долговечности формованных теплоизоляционных материалов за счет применения гидрофобизаторов на основе кремнийорганических соединений, создающих рыхлую структуру углеводородного слоя на поверхности материала, препятствующую проникновению влаги, а также способствующих образованию карбонатов в результате взаимодействия щелочных металлов с двуокисью углерода, которые создают более плотную структуру, что способствует улучшению эксплуатационных свойств композита.

Показано, что модификация битумного вяжущего амфотерной добавкой способствует замедлению процессов старения вяжущего и улучшению его адгезии к полидисперсному пористому заполнителю из кислой породы – вспученному перлитовому песку и, как следствие, к повышению долговечности формованных теплоизоляционных материалов.

Получены математические модели зависимостей физикомеханических характеристик эффективных формованных теплоизоляционных материалов на основе различных связующих с применением гидрофобизированного полидисперсного заполнителя от технологических параметров, позволяющих управлять процессом производства материалов.

Практическая значимость. Предложен гранулометрический состав полидисперсного заполнителя на основе вспученного перлитового песка и перлитовой пыли, позволяющий получить высокоплотную смесь, обеспечивающую высокие эксплуатационные характеристики материалов.

Разработаны составы формованных теплоизоляционных материалов на основе гидрофобизированного полидисперсного заполнителя, позволяющие изготавливать стеклоперлит со средней плотностью 150…170 кг/м3, прочностью на сжатие 0,6…0,8 МПа, теплопроводностью 0,06…0,07 Вт/м·°C и водопоглощением 7…9 об. % и битумоперлит со средней плотностью 280…300 кг/м3, прочностью на сжатие 0,6…0,85 МПа, теплопроводностью 0,068…0,074 Вт/м·°C и водопоглощением 1,4…2,8 об. % с возможностью их применения в виде теплоизоляционного монолита, плит, скорлуп и сегментов.

Разработаны технологии производства формованных теплоизоляционных материалов с применением гидрофобизированного полидисперсного заполнителя.

Внедрение результатов исследования. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «ЛИНДОР», г. Белгород Белгородской области.

Для внедрения результатов научно-исследовательской работы разработаны нормативные и технические документы:

стандарт организации СТО 02066339-007-2012 «Битумоперлит с использованием полидисперсного заполнителя на модифицированном вяжущем»;

технологический регламент на производство формованных теплоизоляционных материалов с использованием полидисперсного заполнителя на предприятии ООО «ЛИНДОР», г. Белгород.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство» и инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Международных конференциях: III Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2010, 2011); Международной научнотехнической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2010); V Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011);

Областной научно-практической конференции «Белгородская область:

прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 2011); V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Новосибирск, 2012); Международном молодежном научном форуме «Ломоносов–2012» (Москва, 2012).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в девяти научных публикациях, в том числе в одной статье в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство о регистрации ноу-хау № 20120005 «Состав и режимы изготовления стеклоперлита».

На защиту выносятся:

– принципы оптимизации гранулометрического состава заполнителя на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства;

– математические модели, позволяющие получать эффективные формованные теплоизоляционные материалы на различных связующих с улучшенными физико-механическими характеристиками;

– составы формованных теплоизоляционных материалов на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства;

– закономерности изменения водопоглощения стеклоперлита в зависимости от вида гидрофобизирующей добавки и способа ее введения;





– технологии производства эффективных формованных теплоизоляционных материалов на основе вспученного перлитового песка и перлитовой пыли;

– результаты опытно-промышленной апробации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 1наименования и 4 приложений. Общий объем диссертации 1страниц машинописного текста, включающих 58 рисунков, таблиц, 5 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Наибольшее количество вспученного перлитового песка (около 60 %) в мировой практике используется в формованных теплоизоляционных изделиях. В качестве связующего используют цемент, гипс, известь, битум, жидкое стекло.

Однако в нашей стране должного внимания такие теплоизоляционные материалы не нашли из-за технологических и эксплуатационных недостатков, в частности высокого водопоглощения.

Для получения эффективных формованных теплоизоляционных материалов применялись вспученный перлитовый песок насыпной плотностью 75 кг/м3, соответствующий ГОСТ 10832-2009, и перлитовая пыль насыпной плотностью 50 кг/м(ООО «Бентопром», Старый Оскол); битум нефтяной строительный марки БН 70/30, соответствующий ГОСТ 6617–94; стекло жидкое натриевое плотностью 1250…1350 кг/м3, соответствующее ГОСТ 13078-81 (ООО «РУСЛЮКС», Москва), гидрофобизирующие добавки «Типром Д» (ТУ 2229-070-32478306-2003) и «Типром К Люкс» (ТУ 226-113-32478306-2004) (ООО «Сази», Люберцы); адгезионная добавка «ДАД-1», соответствующая требованиям СТО 22320188-001-2009 (ООО «Селена», Шебекино).

При выполнении работы применяли следующие методы исследований: РФА, электронную микроскопию (растровый ионноэлектронный микроскоп Quanta 200 3D с рентгеновским эмиссионным микрозондом), ИК-спектроскопию. Теплопроводность определялась электронным измерителем ИТП-МГ4, а также использовались метод математического планирования эксперимента со статистической обработкой результатов и стандартные методы испытаний.

Известно, что теплообменные характеристики перлитовых материалов определяются гранулометрическим составом вспученного перлитового песка, структурой его зерен и материала и его влажностными свойствами. Поэтому нами произведен расчет зернового состава заполнителя на основе вспученного перлитового песка и перлитовой пыли и оптимизирована его гранулометрия (рис. 1) с целью получения высокоплотной смеси.

Рис. 1. Гранулометрический состав полидисперсного заполнителя:

– вспученный перлитовый песок; – полидисперсный заполнитель на основе вспученного перлитового песка и перлитовой пыли Из общего вида распределения частиц по размерам по результатам рассева вспученного перлитового песка выделен класс системы m = 2*. При наличии максимумов на кривых просеивания можно определить плотную упаковку наиболее крупной фракции (фракция 0,63).

Данный метод является впервые обоснованным нами для определения плотности упаковки (1) в полидисперсных смесях. Это подтверждается экспериментальными исследованиями. Установлено, что для получения высокоплотной бинарной смеси второй мелкой полидисперсной смеси потребуется 10…16,5 %.

Гранулометрический анализ показал, что заполнитель разработанного состава имеет полимодальное распределение частиц по сравнению с обычным заполнителем, имеющим один ярко выраженный пик в области крупных частиц.

Результаты исследований на РЭМ микроструктуры стеклоперлита с различным содержанием перлитовой пыли в заполнителе, представленные на рис. 2, показали, что у состава с использованием заполнителя на основе вспученного перлитового песка (рис. 2, а) из массы композита выделяются зерна вспученного перлитового песка, заметны крупные поры и пустоты, что свидетельствует о недостаточном количестве связующего для полной обмазки зерен вспученного перлитового песка.

Микроструктура стеклоперлита на заполнителе с различным содержанием перлитовой пыли (рис. 2, б, в) имеет наиболее однородную поверхность у образцов на основе полидисперсного заполнителя с содержанием 10 % перлитовый пыли (рис. 2, в).

У данных образцов наименьшее количество пор и пустот, что связано с однородностью смеси и более полным заполнением зерен перлитовой пыли связующим.

* По методике проф. БГТУ им. В.Г. Шухова А.Н. Хархардина.

Полные остатки, мас. % а) б) в) Рис. 2. Микроструктура стеклоперлита с различным составом заполнителя:

а – вспученный перлитовый песок;

б – 10:1 = вспученный перлитовый песок:перлитовая пыль;

в – 10:2 = вспученный перлитовый песок:перлитовая пыль Разработка оптимальных составов формованных теплоизоляционных материалов на различных связующих с использованием полидисперсного заполнителя и исследование влияния отдельных компонентов и технологических параметров на их физикомеханические свойства производились методом математического планирования эксперимента. Условия и матрица планирования экспериментов представлены в табл. 1, 2.

Таблица Условия планирования экспериментов Фактор Уровень варьирования Интервал кодированнатуральный вид – 1 0 +1 варьирования ный вид Для стеклоперлита Стекло жидкое Х1 1:8 1:10 1:12 0:натриевое:заполнитель Прессующее давление, кг/см2 Х2 1,5 3 4,5 1,Вода:стекло жидкое натриевое Х3 0:1 0,5:1 1:1 0,5:Для битумоперлита Битум, кг/м3 Х1 150 170 190 Вспученный перлитовый песок + Х2 1+0,1 1+0,2 1+0,3 0,+ перлитовая пыль, м3/мПрессующее давление, кг/см2 Х3 3 6 9 Таблица Матрица планирования и физико-механические характеристики Стеклоперлит Битумоперлит Фактор № п/п ср, кг/м3 R cж ср, МПа W,% ср, кг/м3 R cж ср, МПа W, % Х1 Х2 Х1 +1 +1 +1 234 0,9 50 370 0,85 2,2 +1 +1 -1 238 0,8 54 329 0,75 2,3 +1 -1 +1 163 0,6 50 351 0,80 2,4 +1 -1 -1 188 0,6 60 300 0,68 2,5 -1 +1 +1 288 0,9 37 324 0,74 2,6 -1 +1 -1 320 1,15 39 305 0,7 4,7 -1 -1 +1 255 0,95 40 308 0,7 3,8 -1 -1 -1 275 0,8 48 282 0,6 3,9 +1 0 0 170 0,7 49 334 0,76 2,10 -1 0 0 276 1,1 42 306 0,7 3,11 0 +1 0 298 0,9 44 332 0,76 2,12 0 -1 0 150 0,6 37 318 0,73 3,13 0 0 +1 249 0,7 31 347 0,79 2,14 0 0 -1 249 0,85 52 316 0,72 15 0 0 0 232 0,8 47 327 0,75 2,16 0 0 0 232 0,84 46 325 0,74 2,17 0 0 0 231 0,83 47 329 0,75 2,В результате статистической обработки полученных данных (табл. 2) выявлены оптимальные соотношения компонентов и получены математические модели:

– для стеклоперлита:

ср = 229,43 – 42,1Х1 + 34,7Х2 – 8,1Х3 – 3,95 Х12 – 2,95 Х22 + 22,05 Х32 + + 5,38Х1Х2 + 2,88Х1Х3 + 1,13 Х2Х3;

R cж ср = 0,81 – 0,13Х1 + 0,11Х2 – 0,015Х3 + 0,099 Х12 – 0,05 Х22 – 0,026Х32 + + 0,025Х1Х2 + 0,025Х1Х3 – 0,038Х2Х3;

W = 43,83 + 5,7Х1 – 1,1Х2 – 4,5Х3 + 3,95 Х12 – 1,04 Х22 – 0,044Х32 + + 0,75Х1Х2 – 0,5Х1Х3 + 1,5Х2Х3.

– для битумоперлита:

ср = 328,1 + 15,9Х1 + 10,1Х2 + 16,8Х3 – 7,79 Х12 – 2,8Х22 + 3,7Х32 + + 1,13Х1Х2 + 5,88Х1Х3 - 2,13Х2Х3;

Rсж = 0,75 + 0,04Х1 + 0,03Х2 + 0,04Х3 - 0,02 Х12 – 0,005Х22 + 0,01Х32 – – 0,003Х1Х2 + 0,01Х1Х3 – 0,01Х2Х3;

W = 2,809 - 0,44Х1 – 0,039Х2 – 0,28Х3 + 0,17Х12 + 0,026Х22 – 0,083 Х32 – – 0,03Х1Х2 + 0,078Х1Х3 - 0,19Х2Х3, анализ которых представлен на рис. 3.

а) б) Рис. 3. Номограммы зависимостей средней плотности, прочности на сжатие и водопоглощения стеклоперлита (а) и битумоперлита (б) от исследуемых факторов:

а – 1 – соотношение стекло жидкое натриевое:вспученный перлитовый песок = 1:8;

2 – соотношение стекло жидкое натриевое:вспученный перлитовый песок = 1:10;

3 – соотношение стекло жидкое натриевое:вспученный перлитовый песок = 1:12;

б – 1 – битум = 150 кг/м3; 2 – битум = 170 кг/м3; 3 – битум = 190 кг/м Экспериментально установлено (см. табл. 2, рис. 3), что применение полидисперсного заполнителя на основе вспученного перлитового песка и перлитовой пыли при соотношении компонентов 10:1 способствует повышению физико-механических характеристик теплоизоляционных материалов.

С целью повышения долговечности формованных теплоизоляционных материалов разными способами была проведена гидрофобизация кремнийорганическими соединениями, которая не снижает теплоизоляционных свойств композитов. Эти соединения представляют собой растворы, разводимые водой либо органическими растворителями, принцип действия которых заключается в том, что силиконы при помощи носителя (вода или растворитель) попадают в толщу обрабатываемого материала и затем поликонденсируются, создавая водоотталкивающий паропроницаемый слой.

Существует ряд кремнийорганических гидрофобизаторов (КОГ), обладающих разной степенью эффективности как по технологии применения, так и по воздействию на поверхность материалов, поэтому необходимы методы и способы, которые позволили бы оценить степень воздействия КОГ на формованные теплоизоляционные материалы с использованием вспученного перлитового песка и отходов его производства.

Для исследования влияния КОГ на внутреннее состояние материалов и на придание им водонепроницаемости и водоотталкивающих свойств были использованы гидрофобизаторы:

5 %-ный водный раствор алкилсиликонатов «Типром Д» и раствор Н-силоксанов «Типром К Люкс».

Следует отметить, что наиболее эффективной областью применения указанных гидрофобизаторов является обработка материалов с явно выраженными щелочными свойствами, что обусловлено анионактивными веществами КОГ. Применение их для гидрофобизации материалов из горных пород существенно кислого состава является неэффективным из-за отрицательного заряда их поверхности. К подобным материалам может быть отнесен и перлит.

Тем не менее, перлит, являясь эффузивной породой кислого состава, имеет алюмосиликатный состав с массовой концентрацией Al2O3 до 14 % и Na2O + K2O + CaO + MgO до 10 %.

Принимая во внимание, что в кристалло-химическом аспекте перлит можно представить тетракоординированным каркасным алюмосиликатом, входящие в его состав щелочные и щелочеземельные элементы нейтрализуют нескомпенсированный отрицательный заряд алюмокислородных тетраэдров. Благодаря этим элементам, поверхность перлита насыщена щелочными активными центрами, способными адсорбировать молекулы анионактивных веществ. Эта особенность перлита позволяет рассматривать его в качестве материала, пригодного для гидрофобизации при помощи КОГ.

На рис. 4 приведен полнопрофильный расчет на основе наноразмерной (1…2 нм) структуры (аппроксиманта высокотемпературного кристобалита) рентгенограммы вспученного перлитового песка, представляющий собой типичные кривые рентгеновской дифракции от аморфных веществ.

Рис. 4. Полнопрофильное моделирование рентгенограммы вспученного перлитового песка как результат рентгеновской дифракции наноразмерным высокотемпературным кристобалитом Основная задача по гидрофобизации сводилась по своей сущности к гидрофобизации непосредственно самого вспученного перлитового песка и отхода его производства, которая осуществлялась следующими способами:

1 – введение гидрофобизатора при перемешивании формовочной смеси;

2 – гидрофобизация полидисперсного заполнителя;

3 – гидрофобизация полидисперсного заполнителя с последующей сушкой;

4 – поверхностная обработка гидрофобизатором готовых изделий.

При проведении эксперимента использовался один и тот же состав стеклоперлита с одинаковыми режимами изготовления.

При первом и втором способе гидрофобизация оказалась неэффективной из-за неравномерности распределения гидрофобизатора в составе смеси.

При предварительной обработке вспученного перлитового песка с последующей сушкой и непосредственной обработке поверхности уже готовых изделий установлено, что водопоглощение значительно меньше за счет лучшей адгезии добавки к поверхности зерен перлита.

Степень взаимодействия КОГ с поверхностью вспученного перлитового песка исследовалась методом ИК-спектроскопии материалов, обработанных различными способами. На рис. приведено сравнение ИК-спектров вспученного перлитового песка, обработанного КОГ «Типром Д» различными способами.

Рис. 5. Сравнение нормированных ИК-спектров исходного вспученного перлитового песка (1) и вспученного перлитового песка, обработанного КОГ «Типром Д» при перемешивании формовочной смеси (2) и при поверхностной обработке готовых изделий (3) При внешнем совпадении спектральных кривых отмечается существенное уменьшение интенсивности поглощения, связанного с колебательными модами немостиковых гидроксильных групп в вершинах поверхностных Si(Al)-тетраэдров обработанного материала.

Данный факт может уверенно свидетельствовать о повышении гидрофобизации поверхности вспученного перлитового песка КОГ.

При этом максимальное снижение интенсивности поглощения отмечается на ИК-спектре поверхностно обработанного вспученного перлитового песка.

С целью фиксации на ИК-спектрах обработанных образцов материала диагностических полос поглощения для основных молекулярных группировок, составляющих КОГ, профиль широкой полосы поглощения в средневолновой области (800…1350 см-1) образца был деконволирован, на основе производной четвертого порядка спектральной кривой, для выделения элементарных профилей полос ИК-поглощения (рис. 5).

Коэффициент корреляции экспериментального и расчетного профиля составил 0,999. Результаты деконволюции и корреляции значений волновых чисел, рассчитанных элементарных профилей конкретными колебательными модами молекулярных группировок, приведены на рис. 6.

В частности, зафиксированы профили поглощения колебательных мод, характерных для группировок SiCH3, входящих в алкилсиликонаты (КОГ «Типром Д»), адсорбированного слоя на поверхности частиц вспученного перлитового песка.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что КОГ существенно снижают водопоглощение материалов с использованием гидрофобизированного полидисперсного заполнителя.

Рис. 6. Деконволюция ИК-спектрального профиля гидрофобизированного полидисперсного заполнителя КОГ «Типром Д» и результаты корреляции выделенных элементарных профилей полос поглощения. Q2, Q3 и Q4 – цепочечные, слоистые и каркасные фрагменты тетракоординированных алюмосиликатов Установлено, что при поверхностной обработке формованных изделий и гидрофобизации полидисперсного заполнителя с последующей сушкой гидрофобизирующими добавками «Типром Д» и «Типром К Люкс» сокращается водопоглощение до 7…11 % при различных количествах добавок (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость водопоглощения стеклоперлита от количества и вида вводимой гидрофобизирующей добавки: а – Типром Д; б – Типром К Люкс;

Добавка «Типром К Люкс» обладает лучшими гидрофобными свойствами по сравнению с «Типром Д» при поверхностной обработке материала и при предварительной обработке заполнителя, что способствует снижению водопоглощения для стеклоперлита с 56 до 11 об. % при предварительной гидрофобизации вспученного перлитового песка и до 7 % при поверхностной обработке материала.

Добавка «Типром Д» обладает лучшими гидрофобными свойствами по сравнению с «Типром К Люкс» при введении добавки в смесь при формовании, снижая водопоглощение по объему стеклоперлита с 56 до 22 об. %.

Исследования на РЭМ показали, что в стеклоперлите при гидрофобизации полидисперсного заполнителя и при введении гидрофобизатора непосредственно в смесь поверхность образцов состоит в основном из сферических частичек вспученного перлитового песка, равномерно покрытых связующим (рис. 8, а, б).

а) б) в) г) Рис. 8. Микроструктура стеклоперлита при различных способах введения гидрофобизатора: а – введение гидрофобизатора при перемешивании смеси;

б – гидрофобизация полидисперсного заполнителя в – гидрофобизация полидисперсного заполнителя с последующей сушкой; г – поверхностная обработка гидрофобизатором поверхности изделий На рис. 8, а и б можно увидеть, что структура всего композита в целом как и сами вспученные перлитовые песчинки имеет характерную «сотовую» структуру. Это объясняется тем, что твердение жидкостекольной связки при ее сушке происходит за счет полимеризации кремнийсодержащих химических связок при удалении гидроксильных и водородных групп и приводит к образованию кремнийполимерного каркаса объемной сетчатой структуры.

При введении гидрофобизатора при перемешивании смеси и при гидрофобизации полидисперсного заполнителя (рис. 8, а, б) поверхность образцов стеклоперлита состоит, в основном, из сферических частичек вспученного перлитового песка, равномерно покрытых связующим.

Для микроструктуры образцов с поверхностной обработкой гидрофобизатором (рис. 8, г) характерна гладкая поверхность, без характерной пористости вспученного перлитового песка. Это объясняется тем, что при поверхностной обработке самих образцов количество добавки на единицу поверхности перлитовых зерен будет выше и, как следствие, поверхность зерен будет полностью насыщаться добавкой, заполняя поры и пустоты и создавая плотную структуру. При гидрофобизации полидисперсного заполнителя происходит свободная миграция ионов добавки вглубь перлитовой песчинки, оставляя поры и пустоты на поверхности песчинок незаполненными. По этой же причине достаточно трудно определить границу перлитового зерна в композитах.

При гидрофобизации полидисперсного заполнителя с последующей сушкой в образцах наблюдается более целостная структура композита (рис. 8, в). Гидрофобный состав по капиллярам, порам, полостям и трещинам проникает в частицы вспученного перлитового песка. В результате на поверхностях этих дефектов формируется и полимеризуется тонкая водонепроницаемая пленка, которая, с одной стороны, уменьшает размеры дефектов, утончая их и тем самым создавая дополнительное сопротивление воде при ее фильтрации через композит, а с другой – перекрывает мелкие микродефекты, выходящие на поверхность макродефектов, возводит непреодолимый барьер для воды. Следует отметить, что утончение дефектов в основном происходит вследствие уменьшения их объема в результате сглаживания неровного рельефа поверхности дефектов, а не за счет толщины образующейся пленки. Такое сглаживание уменьшает общую поверхность возможного смачивания, что также положительно сказывается на повышении водонепроницаемости.

Таким образом установлено, что гидрофобизация полидисперсного заполнителя с последующей сушкой - наиболее эффективный способ снижения водопоглощения.

Известно, что битум имеет склонность к старению с течением времени. Для выявления изменения состава битумного вяжущего и модифицированного различными адгезионными добавками битумного вяжущего после его старения проведена инфракрасная спектроскопия (рис. 9), а изменения структурно-группового состава представлены в табл. 3.

ИК-cпектроскопия битума подтвердила значительное изменение состава чистого битумного вяжущего по сравнению с битумным вяжущим с добавкой ДАД-1 после его старения (рис. 9, ж).

а) б) в) г) д) е) ж) з) и) к) Рис. 9. Инфракрасные спектры:

а – обычного битума и модифицированного битума с добавками: б – «Wetfix BE»;

в – «Техпрогресс-1»; г – «CECABASE RT»; д – «POLIRAM»; е – «Дорос-АП»;

ж – «ДАД-1»; з – «Афтисотдор»; и – «Амдор-10»; к – «Адгезол» Таблица Изменение структурно-группового состава битумного вяжущего по результатам ИК-спектроскопии Изменение Изменение Содержание Содержание содержания содержания Добавка ароматических метиленовых ароматических метиленовых соединений соединений соединений, % соединений, % Wetfix BE до старения 1,29 0,8,57 65,Wetfix BE после старения 1,40 1,Техпрогресс-1 до старения 1,17 1,16,42 26,Техпрогресс-1 после 1,34 1,старения POLIRAM до старения 1,39 1,10,25 18,POLIRAM после старения 1,56 1,Дорос-АП до старения 1,16 1,4,13 3,Дорос-АП после старения 1,21 1,Дад-1 до старения 1,09 0,7,62 1,Дад-1 после старения 1,18 0,Афтисотдор до старения 1,20 1,1,64 22,Афтисотдор после старения 1,22 0,Амдор-10 до старения 1,82 1,17,05 35,Амдор-10 после старения 2,17 0,Адгезол до старения 1,27 1,12,50 12,Адгезол после старения 1,44 0,CECABASE RT до старения 1,15 1,0,87 14,CECABASE RT после 1,14 1,старения Битум до старения 1,15 1.61,67 52,Битум после старения 3,00 0,Анализ микроструктуры битумоперлита (рис. 10) свидетельствует, что введение адгезионной добавки способствует формированию плотной матрицы связующего; созданию пленки, более равномерно обволакивающей зерна вспученного перлитового песка, в сравнении с образцами без адгезионной добавки;

интенсифицирует процессы структурирования компонентов связующего, обеспечивающего увеличение прочности матрицы и материала в целом.

В образцах битумоперлита с адгезионной добавкой виден хорошо сформированный контакт между частицами битума и перлита.

Структура битумной матрицы более плотная и целостная (рис. 10, в).

В образцах без введения адгезионной добавки структура матрицы более неоднородная с худшей связью зерен вспученного перлитового песка и битумной матрицы.

В результате анализа экспериментальных данных были предложены оптимальные составы формованных теплоизоляционных стеклоперлита и битумоперлита, изготовленных с использованием полидисперсного заполнителя и исследованных добавок (табл. 4), которые по эксплуатационным свойствам (табл. 5) превосходят характеристики аналогичных традиционных материалов, что объясняется оптимизацией структуры материалов на рациональных составах.

а) б) в) Рис. 10. Микроструктура битумоперлита:

а – на вспученном перлитовом песке; б – на полидисперсном заполнителе;

в – с адгезионной добавкой ДАД-1 на полидисперсном заполнителе Таблица Оптимальные составы формованных теплоизоляционных материалов Стеклоперлит Битумоперлит компоненты расход на 1 м3 компоненты расход на 1 мПолидисперсный Полидисперсный заполнитель заполнитель вспученный вспученный перлитовый песок 1,43 м3 перлитовый песок 1,56 м перлитовая пыль 0,14 м3 перлитовая пыль 0,16 мСтекло жидкое натриевое Битум 0,15 м3 150 кг Добавка «Типром Д» Добавка «ДАД-1» 0,15 м3 1,5 кг Вода –– –– 0,075 м Таблица Эксплуатационные характеристики формованных теплоизоляционных материалов Стеклоперлит Битумоперлит Показатель Традиционный традиционный разработанный ГОСТ 16136-80 разработанный Средняя плотность, кг/м3 180…300 150…170 200…400 280…3Прочность на сжатие, МПа 0,3…1,2 0,6…0,8 0,15…0,03 0,6…0,Теплопроводность, 0,064…0,093 0,06…0,07 0,08…0,1 0,068…0,0Вт/(м·°С) Водопоглощение, об. % 50…60 7…9 не более 5 1,4…2,Разработана технологическая схема производства формованных теплоизоляционных материалов с применением гидрофобизированного полидисперсного заполнителя. Для промышленного внедрения предложенных составов разработаны стандарт организации на битумоперлит с использованием полидисперсного заполнителя на модифицированном вяжущем и технологический регламент на производство формованных теплоизоляционных материалов с использованием полидисперсного заполнителя на предприятии ООО «ЛИНДОР», г. Белгород Белгородской обл.

Результаты исследований внедрены на предприятии ООО «ЛИНДОР» г. Белгород Белгородской обл.

Экономический эффект от создания и применения формованных теплоизоляционных материалов с использованием вспученного перлитового песка будет заключаться в использовании отходов производства вспученного перлитового песка – перлитовой пыли, малокомпонентности составов, снижении энергоресурсов и составляет при производительности 10 000 м3/год – для битумоперлита 6 млн руб., для стеклоперлита – 530 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Предложены принципы получения эффективных формованных теплоизоляционных материалов с учетом использования гидрофобизированного полидисперсного заполнителя на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства, заключающиеся в применении модифицированных связующих, оптимизации гранулометрии заполнителя, позволяющей создать высокоплотную бинарную смесь и теплоизоляционные материалы на ее основе с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

2. Установлено рациональное соотношение вспученного перлитового песка и перлитовой пыли (10:1), позволяющее получить более однородные по составу системы «стекло жидкое натриевое – вспученный перлитовый песок» и «битум – вспученный перлитовый песок» с пониженным водопоглощением при прочих равных условиях, за счет более равномерного распределения зерен вспученного перлитового песка в общей массе смеси с заполнением пор и пустот между крупными зернами вспученного перлитового песка мельчайшими частицами перлитовой пыли и, как следствие, более полным заполнением зерен перлита связующим.

3. Определена возможность повышения долговечности формованных теплоизоляционных материалов за счет применения гидрофобизаторов на основе кремнийорганических соединений, создающих рыхлую структуру углеводородного слоя на поверхности материала, препятствующую проникновению влаги, а также способствующих образованию карбонатов в результате взаимодействия щелочных металлов с двуокисью углерода, которые создают более плотную структуру, что способствует улучшению эксплуатационных свойств композита.

4. Показано, что модификация битумного вяжущего амфотерной добавкой способствует замедлению процессов старения вяжущего и улучшению его адгезии к полидисперсному пористому заполнителю из кислой породы – вспученному перлитовому песку и, как следствие, к повышению долговечности формованных теплоизоляционных материалов.

5. Получены математические модели зависимостей физикомеханических характеристик эффективных формованных теплоизоляционных материалов на основе различных связующих с применением гидрофобизированного полидисперсного заполнителя от технологических параметров, позволяющих управлять процессом производства материалов.

6. Разработаны составы формованных теплоизоляционных материалов на основе гидрофобизированного полидисперсного заполнителя, позволяющие изготавливать стеклоперлит со средней плотностью 150…170 кг/м3, прочностью на сжатие 0,6…0,8 МПа, теплопроводностью 0,06…0,07 Вт/м·°C и водопоглощением 7…9 об. % и битумоперлит со средней плотностью 280…300 кг/м3, прочностью на сжатие 0,6…0,85 МПа, теплопроводностью 0,068…0,074 Вт/м·°C и водопоглощением 1,4…2,8 об. % с возможностью их применения в виде теплоизоляционного монолита, плит, скорлуп и сегментов.

7. Разработаны технологии производства формованных теплоизоляционных материалов с применением гидрофобизированного полидисперсного заполнителя.

8. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «ЛИНДОР», г. Белгород Белгородской области.

9. Для внедрения результатов научно-исследовательской работы разработаны нормативные и технические документы: стандарт организации СТО 02066339-007-2012 на битумоперлит с использованием полидисперсного заполнителя на модифицированном вяжущем и технологический регламент на производство формованных теплоизоляционных материалов с использованием полидисперсного заполнителя на предприятии ООО «ЛИНДОР», г. Белгород Белгородской обл.

10. Экономический эффект от создания и применения формованных теплоизоляционных материалов с использованием вспученного перлитового песка будет заключаться в использовании отходов производства вспученного перлитового песка – перлитовой пыли, малокомпонентности составов, снижении энергоресурсов и составляет при производительности 10 000 м3/год – для битумоперлита 6 млн руб., для стеклоперлита – 530 тыс. руб.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Сулейманова, Л.А. Энергосберегающий композиционный материал [Текст] / Л.А. Сулейманова, К.М. Ищенко, А.А. Кобзев // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Композиционные строительные материалы. Теория и практика». – Пенза, 2010. – С. 168–170.

2. Ищенко, К.М. Теплоизоляционный материал повышенной долговечности на модифицированном битумном вяжущем [Текст] / К.М. Ищенко, И.А. Шинакова // Материалы Междунар. науч.-практ.

конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научнотехнический прогресс». – Губкин, 2011. – С. 306–309.

3. Ищенко, К.М. Битумоперлит на модифицированном вяжущем повышенной долговечности [Эл. ресурс] / К.М. Ищенко, И.А. Шинакова // Материалы V Междунар. студен. форума «Образование, наука, производство». – Белгород, 2011.

4. Сулейманова, Л.А. Теплоизоляционные материалы на перлитовом сырье [Текст] / Л.А. Сулейманова, К.М. Ищенко, Н.В. Ширина, К.А. Башлыкова // Материалы Междунар. науч.-практ.

конф. «Иновационные материалы и технологии». – Белгород, 2011. – С. 258–262.

5. Ищенко, К.М. Перспективные теплоизоляционные системы на основе вспученного перлита [Текст] / К.М. Ищенко, Л.А. Сулейманова, К.А. Башлыкова // Материалы Обл. науч.-практ.

конф. «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее». – Белгород, 2011. – С. 425–430.

6. Ищенко, К.М. Эффективный теплоизоляционный битумоперлит повышенной долговечности [Текст] / К.М. Ищенко, М.А. Ткаченко, С.Д. Архипов // Материалы Обл. науч.-практ. конф.

«Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее». – Белгород, 2011. – С. 430–434.

7. Ищенко, К.М. Отходы производства вспученного перлита – сырье для эффективных теплоизоляционных материалов [Текст] / К.М. Ищенко // Материалы V Всерос. науч.-техн. конф. «Актуальные вопросы строительства» по секции «Материалы и технологии для малоэтажного строительства Западной Сибири». – Новосибирск, 2012. – С. 138–141.

8. Ищенко, К.М. Силикато- и стеклоперлит с использованием отхода производства вспученного перлитового песка [Эл. ресурс] / К.М. Ищенко, К.А. Башлыкова // Материалы Междунар. молодежного науч. форума «Ломоносов–2012». – М., 2012.

9. Ищенко, К.М. О возможности и способах применения анионноактивных кремнийорганических гидрофобизаторов для обработки материалов на основе вспученного перлитового песка и отходов его производства [Текст] / К.М. Ищенко, Л.А. Сулейманова, И.В. Жерновский // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. – №3. – С. 60–63.

10. Ноу-хау № 20120005. Состав и режимы изготовления стеклоперлита / Л.А. Сулейманова, К.М. Ищенко: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгор. гос. технол. унив-т им. В.Г. Шухова. – Дата регистрации 14.09.2012. – Срок охраны: 5 лет.

ИЩЕНКО КОНСТАНТИН МИХАЙЛОВИЧ ФОРМОВАННЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВСПУЧЕННОГО ПЕРЛИТОВОГО ПЕСКА Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.23.05 Строительные материалы и изделия Подписано в печать 23.11.12. Формат 6084 1/16.

Усл. печ.л. 1,45. Уч.-изд. л. 1,56. Тираж 100 экз. Заказ № 4Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В. Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.