WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

1

На правах рукописи

КЛОЧКОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ КЛАДОЧНЫЕ СМЕСИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОСФЕР

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия А В Т О Р Е Ф Е Р А Т 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 – доктор технических наук, профессор Строкова Валерия Валерьевна Официальные оппоненты Латыпов Валерий Марказович – доктор технических наук, профессор, Уфимского государственного нефтяного технического университета, заведующий кафедрой «Строительные конструкции» – Оноприенко Наталья Николаевна кандидат технических наук, доцент Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова, доцент кафедры «Городского кадастра и инженерных изысканий» Ведущая организация – Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится « 20 » декабря 2012 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова

Автореферат разослан « 20 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета _____________________ Г.А. Смоляго

Актуальность. Возведение стеновых конструкций, обладающих высокими прочностными и теплоизоляционными характеристиками, является важным аспектом при строительстве современных зданий и сооружений.

За счет применения кладочных растворов традиционного цементнопесчаного состава, общая теплоизоляция здания снижается на 30 %, в сравнении с монолитной конструкцией стены, что обусловлено формированием участков, на которых из-за нарушения непрерывности теплоизоляционной оболочки происходит повышенная теплоотдача. Помимо этого прочностные и деформационные характеристики элементов стеновой конструкции – кладочных изделий и раствора – зачастую не соответствуют друг другу.

В связи с этим при проектировании стеновой конструкции как композиционного материала, актуальным является подбор составов кладочных растворов, в частности, конструкционно-теплоизоляционных, с учетом основных технико-эксплуатационных характеристик стенового материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации: соглашение 14.B37.21.1218, государственное задание 3.4601.2011, программа стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

Цель работы. Разработка конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей (КТКС) с применением в качестве легкого заполнителя полых стеклянных микросфер.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– изучение составов и свойств полых микросфер, являющихся частью отхода Томь-Усинской ГРЭС, и обоснование целесообразности их применения в качестве легких заполнителей для конструкционнотеплоизоляционных кладочных растворов;

– разработка составов КТКС, с учетом характеристик кладочных материалов и особенностей совместной работы системы «материал – раствор»;

– подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований в производственных условиях.

Научная новизна. Показана эффективность использования алюмосиликатных полых микросфер и стабилизирующей добавки при проектировании конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей, заключающаяся в рациональном подборе составов с целью оптимизации структуры и свойств кладочного композита с учетом заданных характеристик стеновых изделий. При введении комплекса «микросферы – добавка» достигается двойственный эффект реотехнологических показателей растворной смеси.

Варьирование соотношения полых стеклянных микросфер и стабилизирующей добавки, а также высокоплотная упаковка зерен при использовании микросфер в качестве легкого заполнителя и песчаной составляющей в качестве мелкого, позволяют обеспечивать повышение степени однородности стеновой конструкции по теплоизоляционным и деформационным характеристикам при использовании кладочных изделий с диапазоном плотности от 500 до 1300 кг/м3.

Установлен характер влияния щелочной среды на коррозионную стойкость полых стеклянных микросфер, являющихся частью отхода ТомьУсинской ГРЭС с содержанием SiO2 – 68 % и Al2O3 – 19 % и используемых в качестве легкого заполнителя при получении КТКС. Морфоструктурные особенности элементов поверхностей микросфер после их выдержки в течение 28 сут в щелочном растворе с рН гидратируемого цемента, а также кинетика изменения рН водного раствора, свидетельствуют об отсутствии следов активной коррозии. Это объясняется алюмосиликатным составом рентгеноаморфного вещества (до 90 %) микросфер, а также присутствием муллита (до 7 %). Незначительная растворимость материала микросфер в щелочной среде инициирует возникновение на их поверхности вторичных волокнистых ростовых форм алюмосиликатных новообразований, способствующих повышению адгезии к матрице цементного камня. Таким образом, алюмосиликатные микросферы изученной золы-уноса являются малоактивным реакционным компонентом в цементной системе, что позволяет прогнозировать их продолжительное функционирование в качестве теплоизолирующего микронаполнителя.

Установлен характер комплексного влияния микросфер и водоудерживающей добавки на характеристики КТКС и структурообразование растворного камня, заключающийся в повышении седиментационной устойчивости и как следствие, возможности реотехнологического регулирования системы на ранних сроках твердения. Подвижность кладочного раствора увеличивается на 15 %, наблюдаются ярко выраженные тиксотропные свойства, при этом прочность разработанного кладочного композита увеличивается по сравнению с материалом без стабилизирующей добавки. Использование стабилизирующей добавки при отсутствии пластификатора, позволяет увеличить технологические и физикомеханические свойства раствора и растворного камня при сохранении подвижности, что обеспечивает прочное сцепление с кладочным материалом, и как следствие, эффективную совместную работу раствора и материала в стеновой конструкции.

Практическое значение. Разработаны составы конструкционнотеплоизоляционных кладочных смесей на основе полых алюмосиликатных микросфер Томь-Усинской ГРЭС с использованием стабилизирующей добавки (Meсellose FMS 24502), позволяющие получать кладочные композиты с прочностью от 2,5 до 8,4 МПа, плотностью от 745 до 1400 кг/м3, теплопроводностью от 0,16 до 0,32 Вт/(м2 С).

Получены математические зависимости физико-механических характеристик растворного камня от количества алюмосиликатных полых микросфер, цемента и стабилизирующей добавки. На их основе разработаны номограммы, которые позволяют решать задачи подбора состава КТКС для заданной прочности и теплопроводности растворного камня, рассчитанных исходя из свойств кладочного материала.

Внедрение результатов исследований. Апробацию полученных результатов в промышленных условиях осуществляли при индивидуальном жилищном строительстве предприятием ООО «БелЭкоСтрой».

Для широкомасштабного внедрения результатов научноисследовательской работы разработаны следующие нормативные документы:

– рекомендации по использованию полых стеклянных микросфер для конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей;

– стандарт организации СТО 02066339-003–2012 «Смеси конструкционно-теплоизоляционные кладочные с применением микросфер»;

– технологический регламент на производство конструкционнотеплоизоляционных кладочных смесей с применением микросфер для стеновых конструкций в индивидуальном жилищном домостроении.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800.«Строительство» профиля 270800.62-05 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», а также магистров по направлению 270800.68 «Строительство» профилей 270800.68-03 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций», 270800.68-08 «Наносистемы в строительном материаловедении» и 270800.68-04 «Инновации и трансфер технологий».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей «Цемент. Бетон. Сухие смеси» (Москва, 2010); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (Белгород, 2010); Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); Московском Международном Салоне Изобретений и Инновационных Технологий «Архимед» (Москва, 2011).

На защиту выносятся: – особенности проектирования конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей с использованием алюмосиликатных полых микросфер и стабилизирующей добавки с учетом заданных характеристик стеновых изделий;

– характер влияния щелочной среды на коррозионную стойкость полых стеклянных микросфер, используемых в качестве легкого заполнителя при получении КТКС;

– характер комплексного влияния микросфер и стабилизирующей добавки на характеристики КТКС и процессы структурообразования растворного композита;

– составы конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей на основе полых алюмосиликатных микросфер Томь-Усинской ГРЭС с использованием стабилизирующей добавки Meсellose FMS 24502;

– математические зависимости физико-механических характеристик КТКС на основе алюмосиликатных полых микросфер от количества цемента и стабилизирующей добавки;

– результаты внедрения.

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, определнных ВАК РФ. Подана заявка на патент № 2012145338, приоритет от 24.10.2012 г. На состав КТКС получено ноу-хау №20110005 «Теплоизоляционная кладочная смесь с применением легкого заполнителя».

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 25 таблицы, список литературы из 156 наименований, 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При проектировании современных зданий и сооружений одним из важных аспектов является соблюдение требований к теплозащите ограждающих конструкций. Стеновая конструкция рассматривается как композиционный материал, состоящий из кладочных изделий и кладочного раствора.

Одним из эффективных способов уменьшения теплопотерь зданий, является применение теплоизоляционных и конструкционнотеплоизоляционных строительных материалов и изделий, имеющих низкую плотность, таких как пено- и газобетон, керамзитобетон. Однако при довольно широкой номенклатуре стеновых материалов по плотности, наблюдается дефицит кладочных растворов, позволяющих создавать максимально однородную кладочную конструкцию по показателям теплопроводности.

В связи с этим, рабочая гипотеза данного исследования – проектирование составов конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей (КТКС) с заданными свойствами с учетом широкого диапазона используемых кладочных материалов за счет варьирования количества полых стеклянных микросфер и дозирования стабилизирующей добавки.

Исходными сырьевыми компонентами при получении КТКС были: вяжущее, мелкий заполнитель, легкий заполнитель и стабилизирующая добавка. В качестве вяжущего компонента при проведении исследований использовали цемент ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Белгородский цемент», мелкого заполнителя – песок Корочанского месторождения с модулем крупности 1,2, стабилизирующей добавки с водоудерживающим эффектом – Meсellose FMS 24502 и Addiment ST2.

При получении КТКС в качестве легкого заполнителя применяли полые алюмосиликатные микросферы (АСМ), с содержанием щелочей до 8,%, являющиеся частью отхода Томь-Усинской ГРЭС (табл. 1). Микросферы поставляются двух фракций 20–250 мкм и 250–500 мкм, физикомеханические характеристики которых идентичны (табл. 2).

Таблица Химический состав микросфер Томь-Усинской ГРЭС Содержание оксидов, % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 Gr2O3 MnO п.п.п.

68 19 3,6 2,2 1,5 3,8 0,9 0,9 – 0,05 0,По результатам колиТаблица чественного рентгенофаСвойства микросфер Томь-Усинской ГРЭС зового анализа выявлено, Насыпная Водопо- Теплопроплотность, требность, Rсд, МПа водность, что до 91 % вещества кг/м3 % Вт/(м2 С) микросфер является рент400 97 10,5 0,08–0,геноаморфным (рис. 1).

Среди кристаллических фаз можно выделить 7,9 % муллита и 0,9 % кварца.

Исходя из соотношения SiO2/Al2O3 около 3,5 следует, что рентгеноаморфное вещество также имеет алюмосиликатный состав.

Рис. 1. Рентгенофазовый анализ микросфер Томь-Усинской ГРЭССорбционную способность АСМ оценивали по результатам анализа концентрации активных Бренстедовских центров, которая составила 12, По результатам расчета полнопрофильного рентгенофазового анализа моль/г. Это свидетельствует о более высокой емкости поглощения по отношению к CaO АСМ, по сравнению с кристаллическим кварцевым сырьем (5,61 мг-экв/г у кварца Корочанского месторождения), применяемым традиционно в качестве заполнителя в строительных растворах.

Принципиальным аспектом в применении АСМ в качестве теплоизоляционного микронаполнителя в кладочных растворах является вопрос об их коррозионной устойчивости в щелочной среде цементного теста. Поэтому на первом этапе исследований было проведено изучение щелочестойкости микросфер. Для этого готовили водную суспензию, которая была получена путем смешивания цемента с водой (1:2). Через 1 ч, после формирования осадка, щелочной раствор сливали и дополнительно вводили известь до достижения pH = 12,6, соответствующим показателю щелочности гидратирующего цемента. В полученный щелочной раствор помещали микросферы и определяли кинетику изменения pH среды.

Установлено, что введение микросфер не оказывает существенного влияния на изменение pH в первые сутки, в отличие от исходного щелочного раствора без АСМ (рис. 2). Это можно объяснить с одной стороны тем, что при введении АСМ, имеющих оснвную реакцию среды, в щелочной раствор происходит замедление гидролиза алюмосиликатного материала микросфер, а с другой, происходит вынесение в раствор содержащихся в АСМ щелочных компонентов.

Рис. 2. Изменение рН щелочного раствора с микросферами и без них Изложенные представления согласуются с результатами определения сорбционной способности алюмосиликатных микросфер, а также исследованиями морфоструктурных особенностей элементов их поверхностей (рис.

3). До воздействия щелочной среды АСМ обладают гладкой поверхностью с минимальным количеством образований (рис. 3, а, б). Активность микросфер в щелочной среде приводит к корродированию поверхности и формированию на ней столбчатых форм эттрингита (рис. 3, в, г).

а б в г д е Рис. 3. Микроструктура алюмосиликатных микросфер:

а–б – до воздействия щелочной среды;

после выдержки в щелочной среде в течение 72 ч (в, г) и 90 сут (д, е) В дальнейшем портландит, присутствующий в растворе, карбонизируется. Все это приводит к снижению щелочности раствора с АСМ в период с 28 до 90 сут. Активность микросфер в щелочной среде приводит к возникновению на их поверхности вторичных волокнистых ростовых форм алюмосиликатных новообразований (рис. 3, д, е), выступающих в качестве центров кристаллизации в цементном камне.

Анализ степени активности микросфер по отношению к портландиту, формирующемуся при гидратации цемента, проводили на модельной системе – прогидратированной смеси алита с микросферами в соотношении 1:1. Обнаруженная значительная концентрация кальцита и арагонита, являющейся результатом карбонизации портландита, свидетельствует об активно протекавшей гидратации алита и его переизбытка в системе. При этом, образование различных модификаций карбонатов кальция связано с переизбытком алита в модельной системе. Концентрация рентгеноаморфного вещества, образовавшегося при гидратационном твердении системы составляет 74 %. Кристаллических новообразований, являющихся результатом взаимодействия алюмосиликатного вещества микросфер с продуктами гидратации алита, рентгенографически не обнаружено, вероятно, из-за недостаточного времени гидратационной эволюции модельной системы.

Рис. 4. Минеральный состав гидратированной модельной системы алит+микросферы (1:1) на 28 сут (мас.%).

Таким образом, можно утверждать, что алюмосиликатные микросферы являются достаточно щелочестойким компонентом, что обеспечивает сохранение их общего объема в массиве цементного камня и позволяет прогнозировать их продолжительное функционирование в качестве теплоизоляционного микронаполнителя.

Для разработки конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей2 на основе микросфер были проведены расчеты высокоплотной упаковки зерен АСМ, а также микросфер с мелким заполнителем.

Анализ гранулометрического состава АСМ фракций 20–250 мкм и 250– 500 мкм (рис. 5) позволил определить, что максимальный диапазон весовой доли микросфер находится в пределах 40–160 мкм, и обозначить средний размер зерен для каждой фракции, что позволяет провести расчет плотнейшей упаковки.

Рис. 5. Распределение частиц по размерам микросфер различных фракций При расчете высокоплотной упаковки цементно-песчаной матрицы учитывали фракционный состав и плотности упаковки АСМ и песка. Для получения наиболее качественного конструкционно-теплоизоляционного растворного камня была отдельно рассчитана плотнейшая упаковка легкого заполнителя (табл. 3). Правильная сферическая форма АСМ и низкая шероховатость поверхности, обеспечивают проведение расчета высокоплотной упаковки с наименьшей погрешностью.

Для обеспечения высокоплотной упаковки легкого заполнителя соотношение фракций (20–250 мкм / 250–500 мкм) составляет 1/2 об. ч., соотношение мелкого заполнителя к легкому по объему – составляет 2/1.

Таким образом, подбор высокоплотной упаковки заполнителя: разнофракционного состава микросфер, микросфер и кварцевого песка, позволяет увеличить объемное содержание твердой фазы до 70 %, тогда как песок естественного состава имеет плотность упаковки 53 %. Это приводит к снижению расхода вяжущего при создании жесткого каркаса из зерен заполнителя, что способствует повышению прочности композита. Введение Понятия растворная смесь, раствор и растворный камень принято различать по агрегатному состоянию: растворная смесь – тщательно перемешанная смесь сухих компонентов, раствор – затворенная водой растворная смесь, растворный камень – затвердевший раствор микросфер рационального состава с обеспечением высокоплотной упаковки зерен, способствует получению КТКС с низким коэффициентом теплопроводности растворного камня.

Таблица Плотность упаковки зерен при различной дозировке микросфер в системе Опти№ Плот- Сред- Отноше- ПлотВид мальное сос- ность ний ние диа- Класс ность заполните- соотношета- упа- размер метров зе- систе- упаковля ние комва ковки зерен, рен мы ки зерен понентов, п/п зерен мкм фракций в смеси об. ч.

Микросферы 20–250 0,473 110 34,m =2, мкм 1. 0,545 1,2 = 0,5Микросфе2ры 250–500 0,473 60 65,мкм Рациональm =5, ная смесь 0,505 83,3 33,2. 0,195 1,2 = 0,6микросфер3/i Песок 0,528 425,4 66,Для удовлетворения действующим требованиям по сопротивлению теплопередаче ограждающей конструкции, в соответствии с актуализированной редакции СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» (СП 50.13330.2012), необходимо учитывать влияние кладочных швов в конструкции, т. е. необходим подбор характеристик кладочного раствора, в зависимости от используемого стенового материала.

Для разработки наиболее широкого спектра составов кладочных смесей, соответствующих по теплопроводности кладочным изделиям, в качестве кладочных изделий были рассмотрены конструкционнотеплоизоляционные и теплоизоляционные материалы ячеистой и плотной структуры на основе цементного и известково-песчаного вяжущего: газосиликат, пенобетон и керамзитобетон (табл. 4).

Проведен расчет требуемых характеристик кладочных растворов, исходя из заданных физико-механических свойств кладочного изделия. Требуемая прочность при сжатии растворного камня определена для каждого вида материала и варьировалась в диапазоне 3,5–11 МПа. Выбор прочностного диапазона был обусловлен расчетом возникающих напряжений в растворном камне и расчетным напряжением в кладочном изделии, при учете модулей деформаций обоих композитов и требований СНиП II-22-814.

Рациональная смесь микросфер соответствует составу № СНиП II-22-81 Каменные и армокаменные конструкции Таблица Свойства стеновых материалов Предел Коэффициент Плот- Водопопрочности теплопровод- МорозостойВид материала ность, глощение, при сжа- ности, кость, цикл кг/м3 % тии, МПа Вт/(м2°С) Газосиликат 500 2,5 0,14 15 Пенобетон 700 3,5 0,18 25 Керамзитобетон 1000 7,5 0,33 50 Конструкционно-теплоизоляционные стеновые материалы имеют высокие показатели водопоглощения (табл. 4), в связи с этим возникает необходимость использования растворных смесей с высокой водоудерживающей способностью, которая достигается за счет применения различных водоудерживающих добавок. Кроме того, использование стабилизирующей добавки при отсутствии пластификатора приводит к увеличению усадки растворной смеси за счет увеличения В/Ц при сохранении подвижности, что обеспечивает эффект обжатия, возникающий в процессе твердения кладочного раствора в стеновой конструкции. При этом снижаются вертикальные нагрузки за счет возникновения усилия сжатия в горизонтальном направлении, что объясняется разностью модулей деформации стенового материала и растворного камня.

В рамках диссертационной работы в качестве водоудерживающей добавки применяли Мeсellose FMS 24502 и Addiment ST2. При выборе добавки, с целью получения достоверных результатов, эксперимент проводили при условии одинакового В/Ц Рис. 6. Зависимость водоудерживающей способности соотношения систем растворов от количества добавок на основе Мeсellose FMS 24502 и Addiment ST2. При варьировании концентрации и типа водоудерживающей добавки, получены растворные смеси, водоудерживающая способность которых на 5–7 % превышает требуемый показатель, предусмотренный ГОСТ5 (рис. 6). Применение Addiment ST2 при содержании Рекомендуемый показатель водоудержания кладочного раствора в соответствии с ГОСТ 28013-98 «Растворы строительные. Общие технические условия» составляет 90 %.

добавки 0,25 % позволяет повысить водоудержание на 14 %, однако прочность растворного камня уменьшается на 2 % по сравнению с контрольным6 цементно-песчаным раствором. Введение 0,2 % Мeсellose FMS 245повышает как водоудержание, так и прочность на 15 %. Однако использование подобных добавок при сохранении значений В/Ц приводит к увеличению вязкости, что нежелательно для кладочных растворов. В связи с этим, было изучено влияние водоудерживающей добавки7 и микросфер на реотехнологические характеристики растворов при статическом, динамическом напряжении и после частичного обезвоживания пористым основанием стеновых материалов.

Рис. 7. Зависимость вязкости раствора от составаУвеличению вязкости в состоянии покоя при введении добавки Мeсellose происходит за счет физического связывания воды (рис. 7). Взаимодействие имеет коагуляционный характер, основанный на слабых водородных связях, что обусловливает высокую седиментационную стабильность системы. За счет возможных прилагаемых нагрузок на раствор (перемешивание, укладка) происходит временное разрушение структуры до кластеров, следовательно, разжижение системы. Этот эффект является поКонтрольный состав раствора: цемент/заполнитель 1/3, В/Ц=1, подвижность Пк 4, в соответствии с СП 82-101-98 «Приготовление и применение растворов строительных».

При разработке составов КТКС в дальнейшем использовали Мeсellose FMS 24502.

Система «цемент – песок – добавка» характеризуется высокой вязкостью, что делает неприемлемым е использование в качестве кладочного раствора с заданным В/Ц.

ложительным с точки зрения гомогенизации и удобоукладываемости. Однако полного деструктурирования системы не происходит ввиду связности части воды с добавкой, что снижает количество испаряемой влаги из раствора при перемешивании и укладке, препятствует расслаиваемости.

Введение микросфер, в силу дисперсности и морфологии частиц, оказывает двойственное влияние на подвижность раствора. С одной стороны, при введении микросфер в количестве 100 %, за счет их высокой удельной поверхности9 по сравнению с песком, из-за недостаточного количества дисперсионной среды в системе, вязкость повышается. С другой стороны, за счет сферической формы и остеклованной гладкой поверхности заполнителя, при приложении нагрузки наблюдается увеличение подвижности раствора, что связано со сниженным коэффициентом трения.

Данный эффект подтверждается зависимостью изменения вязкости при приложении динамического напряжения, от количества микросфер. При уменьшении АСМ до 50 % при том же В/Ц количество дисперсионной среды является достаточным, что объясняет увеличение подвижности системы.

Рис. 8. Зависимость эффективной вязкости от наличия добавки до и после укладки на пористое основание стенового материала Удельная поверхность микросфер 96 м2/кг Раствор снимался с поверхности газосиликата через 1 минуту после укладки Введение водоудерживающей добавки при полной замене песка на микросферы при статическом напряжении придает раствору максимальную вязкость. В тоже время, при динамическом напряжении система достигает показателя вязкости, сопоставимого с контрольным составом. При этом седиментационная устойчивость состава со 100 % АСМ и водоудерживающей добавкой максимальная.

Анализ реотехнологических характеристик растворов до и после укладки (рис. 8) на пористое основание стеновых материалов показал, что состав с применением добавки Мeсellose имеет более высокую седиментационную устойчивость. Использование комплекса «добавка – АСМ» позволяет получать растворы, которые при нанесении на кладочный материал при повышении вязкости, сохраняют удобоукладываемость.

Таким образом, проявление двойственного эффекта при реализации комплексного воздействия вводимых легковесных компонентов и добавки Mecellose FMS 24502 обусловлено суммарным положительным взаимодополняющим действием пластифицирующего – за счет введения микросфер, и структурирующего, при использовании водоудерживающей добавки Mecellose FMS 24502, факторов, как в условиях исходного состояния системы, так и в условиях структурно-механического воздействия на систему.

Микроструктура растворного камня с применением стабилизирующей добавки характеризуется достаточно плотной матрицей (рис. 9, г) с большим количеством новообразований (рис. 9, д, е) в сравнении с растворным камнем без добавки (рис. 9, а, б, в). Росту новообразований на стенках микросфер способствует развитая поверхность со следами коррозии, что определяет лучшее сцепление цементного камня с заполнителем и увеличение прочности композита.

Разработка оптимальных составов КТКС с применением легкого заполнителя, а так же исследование влияния каждого компонента на физикомеханические свойства растворного камня проводили с использованием метода математического планирования эксперимента. На основе предварительно проведенных опытов, необходимых для выбора варьируемых компонентов, был запланирован трехфакторный эксперимент с изучением влияния количества цемента, легкого заполнителя и дозы стабилизирующей добавки на водоудерживающую способность, прочность и теплопроводность КТКС. Факторы, не вошедшие в план эксперимента, приняты постоянными.

Для создания стеновых конструкций из керамзитобетона, пенобетона и газосиликата (см. табл. 4) в качестве рациональных были выбраны составы смесей (табл. 5) для каждого стенового материала с максимально близкими значениями к проектным.

а г б д в е Рис. 9. Микроструктура кладочного раствора с микросферами:

а, б, в – без стабилизирующей добавки; г, д, е – с добавкой Применение стеновых изделий и кладочного раствора с соответствующими теплоизоляционными и деформационными характеристиками позволяет повысить степень однородности стеновой конструкции, за счет снижения плотности раствора и достижения равновесия значений поперечных расширений растворного камня и стенового материала.

Таблица Состав и свойства раствора и растворного камня Состав смеси11, Свойства раствора и растворного камня кг/мПрочность, МПа № п/ п 1 230 0 400 97 1,24 2,8 0,46 0,26 745 0,16 2 270 350 300 97 1,06 3,9 0,65 0,5 1055 0,2 3 328 700 200 97 0,98 8.4 2,04 1,98 1392 0,32 Применение рационального состава КТКС с использованием легкого заполнителя обеспечивает получение кладочных растворов с плотностью 745–1400 кг/м3 и прочностью 2,5–8,4 МПа, что позволяет осуществлять подбор КТКС, в зависимости от характеристик стенового материала.

Получены математические зависимости физико-механических характеристик растворного камня от количества алюмосиликатных полых микросфер, цемента и стабилизирующей добавки. На их основе разработаны номограммы12 (рис. 10), которые позволяют решать задачи подбора состава КТКС для заданной прочности и теплопроводности растворного камня, рассчитанных исходя из свойств кладочного материала.

Рис. 10. Номограммы подбора состава КТКС:

– количество цемента, кг/м Добавка Mecellose вводилась в количестве 0,2 % от массы цемента Данные номограммы предназначены для определения требуемого класса прочности, теплопроводности только для смесей с применением полых стеклянных микросфер Томь-Усинской ГРЭС.

В/Ц цикл Цемент Вт/ ( м ·°С ) способность Коэффициент Адгезия, МПа Микросферы При изгибе Плотность, кг/м При сжатии Кварцевый песок Морозостойкость, теплопроводности, Водоудерживающая Предложена технологическая схема производства КТКС с применением легкого заполнителя. Разработанные составы могут реализовываться двумя способами: полная комплектация всех составляющих; отдельная комплектация стабилизирующей добавки и фракционированного легкого заполнителя, с рекомендациями по применению, что обусловлено доступностью вяжущего компонента и мелкого заполнителя.

Промышленная апробация результатов диссертационной работы осуществлена при индивидуальном жилищном строительстве предприятием ООО «БелЭкоСтрой». Экономическая эффективность применения разработанных КТКС обусловлена получением растворов с улучшенными теплоизоляционными характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Показана эффективность использования алюмосиликатных полых микросфер и стабилизирующей добавки при проектировании конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей, заключающаяся в рациональном подборе составов с целью оптимизации структуры и свойств кладочного композита с учетом заданных характеристик стеновых изделий. При введении комплекса «микросферы – добавка» достигается двойственный эффект реотехнологических показателей растворной смеси. Варьирование соотношения полых стеклянных микросфер и стабилизирующей добавки, а также высокоплотная упаковка зерен при использовании микросфер в качестве легкого заполнителя и песчаной составляющей в качестве мелкого, позволяют обеспечивать повышение степени однородности стеновой конструкции по теплоизоляционным и деформационным характеристикам при использовании кладочных изделий с диапазоном плотности от 500 до 13кг/м3.

2. Установлен характер влияния щелочной среды на коррозионную стойкость полых стеклянных микросфер, являющихся частью отхода ТомьУсинской ГРЭС с содержанием SiO2 – 68 % и Al2O3 – 19 % и используемых в качестве легкого заполнителя при получении КТКС. Морфоструктурные особенности элементов поверхностей микросфер после их выдержки в течение 28 сут в щелочном растворе с рН гидратируемого цемента, а также кинетика изменения рН водного раствора, свидетельствуют об отсутствии следов активной коррозии. Это объясняется алюмосиликатным составом рентгеноаморфного вещества (до 90 %) микросфер, а также присутствием муллита (до 7 %). Незначительная растворимость материала микросфер в щелочной среде инициирует возникновение на их поверхности вторичных волокнистых ростовых форм алюмосиликатных новообразований, способствующих повышению адгезии к матрице цементного камня. Таким образом, алюмосиликатные микросферы изученной золы-уноса являются малоактивным реакционным компонентом в цементной системе, что позволяет прогнозировать их продолжительное функционирование в качестве теплоизолирующего микронаполнителя.

3. Установлен характер комплексного влияния микросфер и водоудерживающей добавки на характеристики КТКС и структурообразование растворного камня, заключающийся в повышении седиментационной устойчивости и как следствие, возможности реотехнологического регулирования системы на ранних сроках твердения. Подвижность кладочного раствора увеличивается на 15 %, наблюдаются ярко выраженные тиксотропные свойства, при этом прочность разработанного кладочного композита увеличивается по сравнению с материалом без стабилизирующей добавки. Использование стабилизирующей добавки при отсутствии пластификатора, позволяет увеличить технологические и физикомеханические свойства раствора и растворного камня при сохранении подвижности, что обеспечивает прочное сцепление с кладочным материалом, и как следствие, эффективную совместную работу раствора и материала в стеновой конструкции.

4. Разработаны составы конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей на основе полых алюмосиликатных микросфер Томь-Усинской ГРЭС с использованием стабилизирующей добавки (Meсellose FMS 24502), позволяющие получать кладочные композиты с прочностью от 2,5 до 8,МПа, плотностью от 745 до 1400 кг/м3, теплопроводностью от 0,16 до 0,Вт/(м2 С).

5. Получены математические зависимости физико-механических характеристик растворного камня от количества алюмосиликатных полых микросфер, цемента и стабилизирующей добавки. На их основе разработаны номограммы, которые позволяют решать задачи подбора состава КТКС для заданной прочности и теплопроводности растворного камня, рассчитанных исходя из свойств кладочного материала.

6. Для широкомасштабного внедрения результатов научноисследовательской работы разработаны следующие нормативные документы: рекомендации по использованию полых стеклянных микросфер для конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей; стандарт организации СТО 02066339-003–2012 «Смеси конструкционнотеплоизоляционные кладочные с применением микросфер»; технологический регламент на производство конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей с применением микросфер для стеновых конструкций в индивидуальном жилищном домостроении.

7. Промышленная апробация результатов диссертационной работы осуществлена при индивидуальном жилищном строительстве предприятием ООО «БелЭкоСтрой». Экономическая эффективность применения разработанных КТКС обусловлена получением растворов с улучшенными теплоизоляционными характеристиками.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Клочков, А.В. Высокоэффективный теплоизоляционноконструкционный пористый бетон [Текст] / Л.Н. Соловьева, А.В. Клочков, А.В. Максаков // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: материалы XV Академических чтений РААСН, 14–17 апреля 2010 г. – Казань: Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2010. – Ч. 2. – C. 163–165.

2. Клочков, А.В. Теплоизоляционный ячеистый цементный раствор [Текст] / А.В. Клочков, В.И. Мосьпан, В.В. Строкова // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: материалы Международной научнопрактической конференции, Белгород, 5–8 октября 2010 г. – Белгород: Издво БГТУ, 2010. – Ч. 1. – C. 15–16.

3. Клочков, А.В. Теплоизоляционный цементный раствор с применением микросфер [Текст] / А. В. Клочков, В. В. Строкова // Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов, Москва, 27– 28 октября 2010 г. – Москва: Экспоцентр, 2010 – С. 102–103.

4. Клочков, А.В. Теплоизоляционный кладочный раствор с применением легкого заполнителя [Текст] / А.В. Клочков, А.И. Бондаренко // Инновационные материалы и технологии: сборник трудов международной научно-практической конференции, БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 11–октября 2011 г. – Белгород, 2011. – C. 113–114.

5. Клочков, А.В. Легкий заполнитель и кладочный раствор на его основе [Текст] / А.В. Клочков // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сборник научных трудов по материалам II Всероссийской научно-практической конференции, СГТУ им. Гагарина Ю.А., Саратов, 19 апреля 2012 г. – Саратов, 2012. – C. 31–35.

6. Klochkov, A.V. Concrete with a low leaching level / A.V. Klochkov, I.V.

Gernovskii, YU.V. Fomenko, V.V. Strokova // Nauka: teoria i praktyka – 2012:

materialy VIII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji. 7–15 August 2012. – Przemyl: Nauka i studia, 2012. – V. 11. – P. 45–48.

7. Клочков, А.В. К вопросу об использовании стеклянных полых микросфер для конструкционно-теплоизоляционных кладочных растворов [Текст] / А.В. Клочков, Н.В. Павленко, В.В. Строкова, Ю.А. Беленцов // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. – 2012. – № 3. – C. 64–66.

8. Клочков, А.В. Влияние эксплуатационных воздействий на высолообразование в мелкозернистом бетоне [Текст] / И.В. Жерновский, А.И. Бондаренко, А.В. Клочков, В.В. Строкова // Вестник ИрГТУ. – Иркутск: Издво ИрГТУ, 2012 – № 4. – С. 43–45.

9. Клочков, А.В. Особенности создания стеновых конструкций с учетом влияния деформационных характеристик кладочных материалов [Текст] / А.В. Клочков, В.В. Строкова, Н.В. Павленко // Вестник БГТУ им.

В.Г.Шухова. – 2012. – № 4. – C. 6–10.

10. Клочков, А.В. Конструкционно-теплоизоляционные кладочные смеси с применением микросфер: монография [текст] / А.В. Клочков, В.В.

Строкова, И.В. Жерновский, Н.В. Павленко. – Белгород: Изд-во БГТУ, 20– 105 с.

11. Ноу-хау № 20110005 «Теплоизоляционная кладочная смесь с применением легкого заполнителя» / В.В. Строкова, В.И. Мосьпан, А.В.

Клочков: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Дата регистрации 01.09.2011 г.

12. Теплоизоляционно-конструкционная кладочная смесь на основе легкого заполнителя: заявка на пат. № 2012145338 Рос. Федерация, дан приоритет 24.10.12 / Строкова В.В., Клочков А.В., Павленко Н.В., Жерновский И.В., Нелюбова В.В.; заявитель БГТУ им. В. Г. Шухова.

Автор выражает благодарность сотрудникам секции «Наносистемы в строительном материаловедении» за консультации при проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований.

Клочков Александр Владимирович КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ КЛАДОЧНЫЕ СМЕСИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОСФЕР Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.23.05 Строительные материалы и изделия Подписано в печать 14.11.12. Формат 60 84/16. Усл. печ. л. 1,1.

Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 110 экз. Заказ № 4Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,




© 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.