WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Пенофибробетоны с применением микроупрочнителей и модифицирующих добавок

На правах рукописи

Котляревская Алена Валерьевна

ПЕНОФИБРОБЕТОНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ

МИКРОУПРОЧНИТЕЛЕЙ И МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: – Перфилов Владимир Александрович,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: - Корнеев Александр Дмитриевич, доктор

технических наук, профессор ФГБОУ ВПО

«Липецкий государственный технический

университет», заведующий кафедрой

«Строительные материалы»

- Лукьяница Сергей Валентинович, кандидат

технических наук, доцент ФГБОУ ВПО

«Волгоградский государственный архитек-

турно-строительный университет» доцент

кафедры «Строительные материалы и спе-

циальные технологии»

Ведущая организация: - ФГБОУ ВПО «Московский государственный

строительный университет»

Защита состоится 28 февраля 2013 г. в 13-00 часов в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д. 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан 25 января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Акчурин Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы, в связи с увеличением стоимости энергоресурсов, образовался устойчивый интерес к конструкционно-теплоизоляционным строительным материалам. Это позволит значительно улучшить энергоэффективность зданий, снизить капитальные затраты на строительство и отказаться от использования дополнительных теплоизоляционных материалов.

Одним из самых распространенных эффективных теплоизоляционных материалов является ячеистый пено- или газобетон. В настоящее время возрастает потребность в применении легких теплоизоляционных элементов ограждающих конструкций, обладающих необходимой прочностью на сжатие и растяжение, высокой трещиностойкостью и долговечностью. Этим требованиям в полной мере соответствуют дисперсно-армированные пенобетоны неавтоклавного твердения. В качестве армирующих бетонную матрицу компонентов наибольшее распространение получили полимерные и базальтовые фибровые волокна, которые, обладая малой плотностью, способствуют трехмерному повышению прочности и препятствуют образованию микротрещин.

Свойства каждого бетона тесно связаны с его структурой, которая, главным образом, обусловливается соотношением составляющих ее компонентов. На физико-механические свойства пенобетона оказывает влияние прочность межпоровых перегородок. При этом необходимо учитывать отрицательное воздействие на их прочность большого количества воды для затворения. Одним из путей увеличения прочности межпоровых перегородок является снижение водоцементного отношения, которое ведет к уменьшению капиллярной пористости материала и повышению его прочности.

Основываясь на проведенных ранее экспериментах, путем сравнения полиамидного, стеклянного, полипропиленового и базальтового волокна, установлено, что полипропиленовое и базальтовое волокно обладает рядом преимуществ. Применение высокодисперсных полимерных и базальтовых волокнистых наполнителей способствовало за счет высокой адгезии к цементной матрице увеличению прочностных характеристик тонких межпоровых прослоек в пенофибробетоне.

Установлена возможность улучшения физико-механических свойств пенофибробетонов за счет упрочнения структуры на микроуровне путем введения в пенобетонную массу аппретированных полых стеклянных микросфер или алюмосиликатных (керамических) полых микросфер. В настоящее время полые стеклянные и керамические микросферы использовались, в основном, для цементных тампонажных растворов, а применение их в пенофибробетонах находится в начальной стадии разработок, т.е. недостаточно изучено. Поэтому необходимо изучить влияние полых стеклянных микросфер на физико-механические свойства пенофибробетонов.

На основании анализа литературных данных по применению наномодификаторов различного происхождения выявлена необходимость проведения экспериментальных исследований по изучению влияния модифицирующих и наноуглеродных добавок на микро- и наноструктуру пенофибробетона с целью улучшения его теплоизоляционных и механических свойств.

Цель работы – получение пенофибробетонов с использованием полимерных и базальтовых дисперсных волокон, микропористых наполнителей, а также суперпластификаторов и модифицирующих нанодобавок, направленное на увеличение их прочности и коэффициента конструктивного качества, а также повышение эффективности процесса приготовления сырьевой смеси.

Для решения поставленной цели решались следующие задачи:

- определить наиболее оптимальное содержание подобранных микроармирующих полимерных и базальтовых фибровых волокон и оценить их влияние на физико-механические свойства смеси;

- исследовать влияние современных отечественных пластифицирующих добавок совместно с различными пенообразователями, способствующих снижению водоотделения и нерасслаиваемости пенофибробетонной смеси для получения составов с максимальной прочностью;

- произвести оценку влияния полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов для снижения плотности пенофибробетона и увеличения прочностных характеристик на микроуровне;

- для установления зависимости показателей прочностных характеристик пенофибробетона на микро- и наноуровне от совместного воздействия компонентов, входящих в его состав, произвести оценку влияния концентрации полых стеклянных микросфер в сочетании с подобранными суперпластификаторами и наноуглеродной добавкой;

- исследовать структуру образцов пенофибробетонов в микро- и нанодиапазоне с помощью цифрового стереомикроскопа «Альтами LCD» и сканирующего зондового микроскопа «Nanoeducator (NT-MDT)»;

- разработать новые составы и технологии приготовления пенофибробетонов с увеличением прочности и коэффициента конструктивного качества;

- для практического внедрения результатов исследований предложить ограждающий элемент с повышенными теплозащитными свойствами на основе разработанных составов пенофибробетона.

Научная новизна работы:

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено применение высокодисперсных волокнистых наполнителей, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер для повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет использования компонентов, упрочняющих структуру пенофибробетона на микро- и наноуровне;

- экспериментально подтверждена возможность применения суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» и получения составов пенофибробетонов с максимальной прочностью;

- установлено влияние концентрации аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* в сочетании с разной концентрацией суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800», а также наноуглеродной добавки «Таунит» и суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4» на увеличение прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона;

- разработаны новые составы пенофибробетонной смеси и технология ее приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц суперпластификатора совместно с водой затворения и дополнительно вводимой наноуглеродной добавкой, что улучшило межчастичные электровзаимодействия на коллоидно-химическом уровне и способствовало повышению реакционной способности смеси при снижении водоцементного отношения.

Практическая значимость работы:

- разработанный и запатентованный «Состав сырьевой смеси для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления» (Патент № 2422408 от 27.06.2011 г.), включающий микроупрочнители из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатор «Sika ViscoCrete – 3» и многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм способствует увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона, приготовленного по предлагаемому способу;

- разработан ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 202040 (см) на основе пенофибробетона с устройством в нем системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм. Установлено, что с увеличением количества воздушных экранов происходит уменьшение коэффициента теплопроводности экранированного блока без снижения прочности;

- внедрение результатов исследований осуществлялось при строительстве малоэтажных коттеджных зданий. Экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков путем частичной замены стандартного силикатного кирпича и уменьшения толщины стены составил 54000 руб. при общей площади теплоизолируемой поверхности 288 м2.

Личный вклад в решение проблемы

Разработан состав сырьевой смеси для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления; разработан ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 202040 (см) на основе пенофибробетона с устройством в нем системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм.

На защиту выносится:

- теоретическое и экспериментальное обоснование применения высокодисперсных волокнистых наполнителей, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер для повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси;

- результаты исследований применения суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» и получения составов пенофибробетонов с максимальной прочностью;

- результаты оценки влияния концентрации аппретированных полых стеклянных микросфер в сочетании с разной концентрацией суперпластификаторов, а также наноуглеродной добавки «Таунит» на увеличение прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона;

- оптимальные составы пенофибробетона и технология его приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе суперпластификатора совместно с водой затворения и дополнительно вводимой наноуглеродной добавкой.

Реализация работы:

- практические рекомендации и результаты проведенных исследований применялись при расчете составов пенофибробетонных блоков с использованием базальтовой фибры и суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800», для строительства коттеджного поселка, расположенного в Волгоградской области, п. Горьковский. Экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков составляет 270000 руб. (двести семьдесят тысяч рублей), общая площадь теплоизолируемой поверхности составила 1440 м2;

- разработанный состав пенофибробетона с применением аппретированных полых стеклянных микросфер, пенообразователя «ПО-6», суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4» и полипропиленовой фибры использовался при изготовлении пенофибробетонных блоков для теплоизоляции стен двухэтажного коттеджа расположенного в п. Средняя Ахтуба Среднеахтубинского района Волгоградской области. Общая площадь теплоизолируемой поверхности составила 288 м2. Экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков составляет 54000 руб. (пятьдесят четыре тысячи рублей), за счет уменьшения толщины стены, путем частичной замены стандартного силикатного кирпича на теплоэффективный пенофибробетонный блок.

Достоверность результатов работы обеспечена:

- изучение свойств разработанных составов пенофибробетонов проводилось при помощи современного оборудования и методик, включая приборы неразрушающего контроля для определения прочности (ультразвуковой прибор Пульсар-1.2.) и теплопроводности - «МИТ-1», которые отвечают нормативной документации и обеспечивают достоверность полученных результатов;

- применялись современные методы математической статистики для обработки экспериментальных данных с минимальной погрешностью;

- исследование микро- и наноструктуры пенобетонных образцов производилось современным цифровым микроскопом «Альтами LCD» и сканирующим зондовым микроскопом Nanoeducator (NT-MDT).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Четвертом Международном форуме по нанотехнологиям (26-28 октября, 2011 г. - Москва: «Rusnanotech Expo’2011»); Международной неделе строительных материалов, посвященной 65-летию образования строительно-технологического факультета (2009г. - Москва: МГСУ); 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона», (г. Михайловка, Волгоградской области, 22-23 октября 2009г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (г. Волгоград, ВолгГАСУ, 2009г., 2011г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (г.Волгоград, ВолгГУ, 2009г.); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г.Белгород: БГТУ, 2010г.); 6-й Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград: ВолгГАСУ, 2011г.); 10-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г.Будапешт, 2012г.); Международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика». (г.Улан-Уде, 2012г.); Международном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность Волгограда» (г.Волгоград, 2012г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы и выполненных исследований изложены в 13 публикациях, в том числе: 2 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, получен патент на изобретение РФ № 2422408 от 27.06.2011 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 138 наименований, и приложения. Содержит 161 страницу машинописного текста, в том числе 46 рисунков и 46 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы с исследованиями в области ячеистых бетонов. Доказано, что при использовании дисперсного армирования пенобетоны обладают повышенными характеристиками по сравнению с обычным пенобетоном. Улучшаются механические характеристики, а так же теплоизоляционные свойства, что приводит к значительному тепло- и энергосбережению.

Значительный вклад в разработку и исследования свойств пенобетонов в России внесли: Баженов П.И., Горяйнов К.Э., Куприянов В.П., Макаричев В.В., Моргун Л.В., Некрасов К.Д., Никольский Г.Г., Попов Н.А., Стефаненко Г.Ф., Сытин М.С., Хворостянская Е.М., и другие.

Проанализированы пенообразователи различного происхождения и выявлены более подходящие для применения в пенобетоне.

Проведена предварительная оценка влияния количественного и качественного применения суперпластификаторов на свойства пенобетонов.

Проведен анализ исследований по применению различных фибровых волокон в ячеистых бетонах, он показал, что при введении фибровых волокон увеличиваются прочностные характеристики, происходит снижение усадочных деформаций, за счёт чего повышается трещиностойкость и долговечность. Применение высокодисперсных волокнистых наполнителей в пенобетонах оказывает положительное влияние на процессы структурообразования и физико-механические свойства. Это достигается за счет улучшенной адгезии волокон к цементной матрице, сравнительно высокой прочности и модуля упругости волокон.

Для улучшения физико-механических свойств пенофибробетонов удовлетворяющим современным требованиям в строительстве, а так же в теплоизоляции установлена необходимость проведения исследований по разработке оптимальных составов пенофибробетонов с использованием полимерных и базальтовых дисперсных волокон, микропористых наполнителей, а также высокоэффективных суперпластификаторов и модифицирующих добавок.

Во второй главе приведены характеристики исходных сырьевых материалов, а также оборудования и методики, которые отвечают нормативной документации и обеспечивают достоверность полученных результатов.

В диссертационной работе при проведении исследований применялись следующие материалы:

  1. - портландцемент ЗАО «Осколцемент» марки ЦЕМ I 42,5 Н (ПЦ М500 Д0);
  2. - кварцевый песок ЗАО «Орловский песчаный карьер»;
  3. - в качестве пластифицирующих добавок использовались: пластификатор «Д-11», суперпластификаторы: «С-3», «Полипласт СП-3», «Супранафт», «Мурапласт ФК 88 (050)», «ПОЛИПЛАСТ СП-4», «Sika ViscoCrete 5-800», «SikaPlast 2135»;
  4. - в качестве микроупрочнителя применялись аппретированные полые стеклянные микросферы марки МС-ВП-А9*, изготовленные в ОАО «НПО Стеклопластик»;
  5. - для регулирования свойств материалов на наноуровне использовался углеродный наномодификатор под торговой маркой «Таунит», полученный в ООО «НаноТехЦентр» Тамбовского государственного технического университета;
  6. - в качестве макроармирующих волокон применялась полипропиленовая фибра марки «ВСМ» (волокно строительное микроармирующее), выпускаемая ООО «Си Айрлайд», а так же базальтовая фибра производства ЗАО «Минерал 7».

Исследование микроструктуры пенобетонных образцов производилось цифровым микроскопом «Альтами LCD» и сканирующим зондовым микроскопом Nanoeducator (NT-MDT).

  1. Определение физико-механических характеристик пенофибробетонов осуществлялось на современном оборудовании, в том числе приборами неразрушающего контроля. Для определения прочности неразрушающим методом применяли измеритель времени распространения ультразвука «Пульсар-1.2» фирмы НПП «Интерприбор». С помощью современного прибора «МИТ-1» определяли теплопроводность пенобетонных образцов.

В третьей главе рассмотрено влияние модифицирующих, в том числе наноуглеродных добавок и микроупрочнителей на свойства пенофибробетонов. Доказано, что влияние на структуру пенофибробетона оказывает не только фибровое волокно, но и комплексное введение добавок и микроупрочнителей.

Чтобы улучшить физико-механические свойства пенофибробетонов, необходимо исследовать влияние пластифицирующих добавок на прочность цементно-песчаного раствора. В процессе исследования рассматривались следующие пластифицирующие добавки: пластификатор «Д-11», суперпластификаторы: «С-3», «Полипласт СП-3», «Супранафт», «Мурапласт ФК 88 (050)», «ПОЛИПЛАСТ СП-4», «Sika ViscoCrete 5-800», «SikaPlast 2135». Наибольшую прочность на сжатие имеют составы, в которые входят суперпластификаторы «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4».

Установлено, что в результате проведенных экспериментальных исследований наблюдается положительное влияние суперпластификаторов на физико-механические свойства цементно-песчаного раствора. Таким образом, введение добавки «ПОЛИПЛАСТ СП-4» и «Sika ViscoCrete 5-800» способствовало повышению прочности и подвижности раствора.

В результате использования суперпластификаторов снижается расход воды затворения при сохранении подвижности, что играет важную роль при производстве пенобетонов. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние пластифицирующих добавок на прочность цементно-песчаного раствора

Наименование Расплыв цементного теста, мм Плотность кг/м3 Прочность цементно-песчаного раствора, МПа
изгиб сжатие
Эталон 107 2017,58 2,75 29,82
Sika Plast 2135 142 2070,315 3,2 32,61
VC 5-800 149 1994,14 3,15 34,05
Супранафт 145 2009,765 3,15 31,08
СП3 145 1996,09 3,3 30,27
СП4 159 1955,08 3,45 33,78
С3 147 2041,015 2,8 32,16
Д11 126 1984,375 2,7 29,55

Задачей дальнейших научных исследований является повышение эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет использования компонентов, упрочняющих структуру фибробетона на микроуровне.

Применение высокодисперсных волокнистых наполнителей в цементных бетонах оказывают положительное влияние на процессы структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства бетона. Это достигается за счет улучшенной адгезии волокон к цементной матрице, сравнительно высокой прочности и модуля упругости волокон, их высокой стойкости по отношению к щелочной среде.

Анализ результатов проведенных испытаний показал, что во всех составах мелкозернистых фибробетонов с содержанием фибры от 0,6 до 1,2 кг/м3 происходит увеличение прочности на сжатие и на растяжение при изгибе по сравнению с эталонным образцом без применения полимерных волокон ВСМ и базальтовой фибры. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние высокодисперсных волокнистых наполнителей на прочность фибробетона

№ п/п Дозировка фибры, кг/м3 Волокно базальтовое Волокно строительное микроармирующее (ВСМ)
Прочность на растяжение при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа Прочность на растяжение при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа
1 0 3,49 31,36 3,41 31,28
2 0,6 3,57 31,64 3,50 31,59
3 0,7 3,63 32,22 3,57 32,17
4 0,8 3,71 33,73 3,64 33,61
5 0,9 3,82 36,25 3,83 36,68
6 1,0 3,91 36,77 3,71 36,18
7 1,1 3,79 36,60 3,76 36,54
8 1,2 3,71 34,81 3,62 34,77

Применение фибровых волокон способствовало увеличению сцепления с цементно-песчаной матрицей и соответственно повышению прочности образцов на сжатие и изгиб. На рис. 1 показаны фотографии разрушенных образцов фибробетонов с использованием полимерной фибры марки ВСМ. Из рисунка видно, что образовавшаяся магистральная трещина в процессе нагружения не разделила образец на две отдельные части и, полного разрушения образца не произошло.

Рис. 1. Фотографии разрушенных образцов с использованием полимерной фибры

Длительность процесса разрушения бетонов с применением полимерной и базальтовой фибры значительно превышает время до разрушения образцов из обычного мелкозернистого бетона. Повышение трещиностойкости и, соответственно долговечности фибробетонов свазано с макроармирующей способностью фибровых волокон и релаксацией напряжений на поверхностях контакта «матрица-заполнитель». В результате время развития макротрещины до полного разделения образца на части может значительно превышать длительность подготовительных этапов разрушения на микро- и наноуровнях.

Наиболее оптимальным является состав фибробетона с концентрацией полипропиленовой фибры, составляющей 0,9 кг/м3. При применении базальтовой фибры состав, в котором концентрация фибры составляет 1,0 кг/м3, показал наибольшее возрастание прочности. Дальнейшее увеличение расхода фибры приводит к ее комкованию, снижению прочности на сжатие и на растяжение при изгибе, а также к неоправданному удорожанию фибробетона.

Таким образом, применение полимерной фибры ВСМ и базальтовой фибры в бетонных смесях позволяет снизить расход дорогостоящего вяжущего, уменьшить трудозатраты по армированию железобетонных изделий, повысить производительность работ, уменьшить толщину конструкции и повысить ее трещиностойкость и долговечность.

Дальнейшие экспериментальные исследования были направлены на изучение влияния вида пенообразователя и модифицирующих добавок на прочность и плотность пенофибробетонов.

Основными физико-механическими свойствами пенобетона являются прочностные характеристики, плотность и зависящая от нее теплопроводность. Плотность и прочность пенобетонов тесно связаны между собой. Чем больше плотность, тем выше прочность. Плотность пенофибробетона, в первую очередь, зависит от вида пенообразователя, упругости и стойкости пены. Для определения влияния вида пенообразователя и модифицирующих добавок на прочность и плотность ячеистых бетонов использовали: пенообразователь «ПБ-2000» и пожарную пену общего назначения «ПО-6».

В составе модифицирующей добавки применялись: пластификатор «Д-11», суперпластификаторы: «С-3», «Полипласт СП-3», «Супранафт», «Му-рапласт ФК 88 (050)», «ПОЛИПЛАСТ СП-4», «Sika ViscoCrete 5-800», «Si-kaPlast 2135».

Анализ данных, полученных в результате экспериментов, показал, что наибольшей прочностью обладают пенофибробетоны при использовании суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4. Все остальные суперпластификаторы показали незначительное повышение прочности. Отсюда можно сделать вывод, что именно эти суперпластификаторы лучше всего использовать при применении пенообразователя «ПБ-2000», «ПО-6». Микрофотография структуры пенофибробетона с использованием этих пенообразователей представлена на рис.2.

При введении в бетонную смесь пенообразователя структуру затвердевшего пенофибробетона можно рассматривать как совокупность сферических открытых и замкнутых пор, разделенных между собой стенками из цементно-песчаного раствора, упрочненного фибровыми волокнами. Ячеистая структура пенофибробетона при использовании пенообразователя «ПО-6», характеризуется хорошей вспенивающей способностью и устойчивостью пены. Это приводит к установлению однородной нераслаиваемой структуры с правильным строением и расположением, в основном, закрытых пор.

Рис.2 Микрофотография структуры пенофибробетона с пенообразователем «ПО-6» (слева) и «ПБ-2000» (справа).

Введение в бетонную смесь пенообразователя «ПБ-2000» привело к формированию, в основном, открытых пор остроугольной формы с повышенной концентрацией напряжений. Это могло возникнуть в результате контракции цементно-песчаной прослойки между порами или при испарении избыточного количества воды затворения, что привело к небольшому снижению прочности по сравнению с образцами, изготовленными на пенообразователе «ПО-6».

Таким образом, применение суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» во всех предложенных составах способствовало наибольшему увеличению прочностных характеристик при примерно одинаковой плотности пенфиброобетонов. Применение этих добавок способствовало повышению прочности при изгибе и сжатии по сравнению с другими суперпластификаторами. При помощи их удалось понизить водоотделение и как следствие этого избежать расслаиваемости пенофибробетонной смеси и достичь однородности структуры.

Снизить плотность пенофибробетона, при этом увеличить прочностные характеристики и трещиностойкость на микроуровне удалось при помощи введения в него аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9*. Рассматривались разные концентрации полых стеклянных микросфер, как в сочетании с песком, так и в чистом виде, т.е. полная его замена.

Проведенные испытания показали, что применение полых стеклянных микросфер приводит к повышению прочности на сжатие по сравнению с со-ставом смеси, в которой присутствует только песок. Наибольшую прочность на сжатие имеет состав, в котором концентрация песка и полых стеклянных микросфер одинаковая, т.е. составляет 50 %. Микроструктура такого пенофибробетона представлена на рис. 3.

Увеличение прочности и трещиностойкости пенофибробетона связано с тем, что возникающая в процессе действия механической нагрузки локальная трещина постоянно встречает на своем пути полые стеклянные микросферы, обладающие достаточно высокой прочностью, а также фибровые волокна (см. рис. 3.), скрепляющие цементную матрицу.

Рис. 3. Микрофотография структуры образца, содержащего 50 % полых стеклянных микросфер и 50 % песка

Для установления зависимости показателей прочностных характеристик пенофибробетона от совместного воздействия компонентов, входящих в его состав, был составлен математический план проведения полного 2-х факторного эксперимента.

В качестве факторов варьирования были выбраны: Х1 - расход аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9*, (интервал варьирования составляет 0,375), Х2 – расход суперпластифицирующей добавки «Sika ViscoCrete 5-800», в процентах от массы цемента (интервал варьирования составляет 0,05 %). В качестве параметров оптимизации были приняты показатели прочности: на растяжение при изгибе - Y1 и на сжатие – Y2.

В качестве макроупрочнителя использовалась полипропиленовая фибра, полученная в ООО «Си Айрлайд», в количестве 0,9 кг/м3. Для образования пористой структуры применялась пожарная пена общего назначения «ПО-6».

В результате обработки матрицы математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, связывающие параметры прочности с совокупностью изменений характеристик его составляющих.

Уравнения регрессии

По величине коэффициентов функций цели в уравнениях регрессии можно судить о влиянии каждого фактора варьирования на параметры прочности.

При проведении научных исследований были получены новые составы пенофибробетона с улучшенными физико-механическими свойствами в результате упрочнения на микро- и наноуровне.

Исходя из данных, представленных на рис. 4 и 5, наглядно видно, что в результате проведенных экспериментов максимальная прочность с применением пенообразователей «ПО-6» и «ПБ-2000» наблюдалась в образцах, в которых содержание полых стеклянных микросфер составляет 50 % и 100 %.

 Влияние полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов с-19

Рис. 4. Влияние полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов с использованием пенообразователя «ПО-6»

 Влияние полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов с-20

Рис. 5. Влияние полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов с использованием пенообразователя «ПБ-2000»

Таким образом, введение в пенофибробетонную смесь аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* способствовало повышению прочности и однородности смеси, а также некоторому снижению плотности пенофибробетона по отношению к составам без использования микросфер. Наилучшие результаты показали составы, в которых концентрация аппретированных полых стеклянных микросфер составляла 50 % и 100 %. Однако, учитывая то, что микросферы являются достаточно дорогим микронаполнителем, цена которого приблизительно равна 300 рублей за 1 кг, в дальнейших исследованиях микросферы применялись в количестве не более 50 %.

Увеличить прочностные характеристики и трещиностойкость на микроуровне нам, как описывалось ранее, удалось при помощи введения в него аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9*, но в момент структурообразования необходимо регулировать свойства материалов и на наноуровне. Для регулирования свойств материалов на наноуровне использовался углеродный наномодификатор под торговой маркой «Таунит», который представляет собой углеродные, наномасштабные, нитевидные образования поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом – многослойные углеродные нанотрубки. Сложность изготовления раствора с добавкой «Таунит» связана с тем, что углеродные нанотрубки нерастворимы в воде. Приготовление раствора нанодобавки «Таунит» осуществлялось с помощью диспергирования в ультразвуковой ванне марки JP-020 в течение 2 минут совместно с суперпластификатором.

Прочность контрольных образцов определялась разрушающим способом, а также при помощи ультразвукового прибора неразрушающего контроля «Пульсар-1.2». Результаты испытаний представлены в табл. 4 и 5.

Таблица 4

Влияние наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов на полипропиленовой фибре

Наименование Дозировка компонентов Плотность, кг/м3 Прочность, МПа
Добавка, гр Таунит, % изгиб сжатие
ВСМ VC 5-800 Сферы - 50 % 2,79 0,01 554,33 3,72 5,11
0,05 519,67 4,34 6,03
0,1 569,00 4,03 5,72
ВСМ СП-4 Сферы - 50 % 3 0,01 557,00 4,13 5,23
0,05 515,33 4,21 5,62
0,1 578,00 3,95 5,29

Таблица 5

Влияние наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов на базальтовой фибре

Наименование Дозировка компонентов Плотность, кг/м3 Прочность, МПа
Добавка, гр. Таунит, % изгиб сжатие
БФ VC 5-800 Сферы - 50 % 2,79 0,01 521,00 3,72 5,71
0,05 513,67 4,27 6,20
0,1 543,33 4,01 6,05
БФ СП-4 Сферы - 50 % 3 0,01 553,67 4,17 5,83
0,05 555,33 4,35 6,09
0,1 547,67 4,21 5,98

Анализ результатов испытаний показал, что введение в смесь нанодобавки «Таунит» и полых стеклянных микросфер, способствует увеличению прочности на сжатие и на растяжение при изгибе. Из табл. 4 и 5 видно, что максимальное увеличение прочности на сжатие происходит при концентрации «Таунита», составляющей 0,05 % от массы цемента.

Для изучения топологии поверхности скола образцов из пенофибробетона с применением полых стеклянных микросфер, нанодобавки «Таунит», суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800» и пенообразователя «ПО-6» проводились исследования на сканирующим зондовом микроскопе «Nanoeducator (NT-MDT)», с помощью которого определялся поверхностный рельеф в микро- и нанодиапазоне. На рис. 6 показан общий вид нанорельефа поверхности скола образцов пенофибробетона с соотношением полых стеклянных микросфер и песка 50:50 %, а также концентрацией нанодобавки, составляющей 0,05 % от массы цемента.

Микроскопический анализ показал, что образуется рельеф поверхности скола образцов высотой до 3479 нм. При этом на длине участка скола, равном 50 мкм располагается только одна воздушная пора, образованная в результате применения мелких полых стеклянных микросфер. Небольшая амплитуда рельефа поверхности (шероховатости) в исследуемом образце свидетельствует об упорядоченном равномерном расположении однородных мелких пор в микроструктуре пенофибробетона. Применение в данном составе нанодобавки «Таунит» и суперпластификатора, растворенных в воде затворения с помощью ультразвукового диспергатора, в основном, улучшило межчастичные электровзаимодействия на коллоидно-химическом уровне. Это способствовало повышению реакционной способности смеси при снижении водоцементного отношения, что приводит к возрастанию плотности и прочности межпоровых перегородок в структуре пенофибробетона.

 Топология поверхности скола образца пенофибробетона с применением-23

 Топология поверхности скола образца пенофибробетона с применением-24

Рис. 6. Топология поверхности скола образца пенофибробетона с применением полых

стеклянных микросфер и нанодобавки «Таунит». Размер скана: 50 х 50 мкм

Для установления зависимости показателей прочностных характеристик пенофибробетона от совместного воздействия компонентов, входящих в его состав, был составлен математический план проведения полного 2-х факторного эксперимента. В качестве факторов варьирования были выбраны: Х1 - расход наноуглеродной добавки «Таунит» в процентах от массы цемента (интервал варьирования составляет 0,045 %), Х2 – расход суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4» в процентах от массы цемента (интервал варьирования составляет 0,05 %). В качестве параметра оптимизации были приняты показатели прочности на сжатие – Y2 и на изгиб – Y1. Для увеличения прочности на макроуровне применялось базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм. Пористая структура обуславливается использованием пенообразователя «ПБ-2000». В результате проведенных исследований установлено, что оптимальной дозировкой наноуглеродной добавки «Таунит» является диапазон от 0,01 % до 0,1 % от массы цемента. Оптимальная дозировка суперпластификатора составила от 0,45 % до 0,55 %.

В результате обработки матрицы математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, связывающие параметры прочности с совокупностью изменений характеристик его составляющих, а именно – концентрации наноуглеродной добавки и суперпластификатора в процентном содержании от массы цемента.

Уравнения регрессии

По величине коэффициентов функций цели в уравнении регрессии можно судить о влиянии каждого фактора варьирования на параметры прочности.

Анализ полученных результатов исследований, согласно принятым зависимостям, показал, что прочность пенофибробетона на сжатие и на изгиб в большей степени возрастает с увеличением концентрации наноуглеродной добавки - Х1, а менее интенсивно - при повышении концентрации суперпластификатора – Х2.Таким образом, комплексное введение аппретированных полых стек-лянных микросфер марки МС-ВП-А9* и углеродного наномодификатора под торговой маркой «Таунит» позволяет увеличить прочность пенофибробетонов, а так же повысить трещиностойкость при сохранении требуемой плотности.

В четвертой главе приведены разработанные оптимальные составы и технологии приготовления пенофибробетонов с использованием различных волокнистых наполнителей и пластифицирующих добавок, а так же с применением микроупрочнителей и наноуглеродных добавок.

Разработан и запатентован «Состав сырьевой смеси для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления» (Патент № 2422408 от 27.06.2011 г.), включающий микроупрочнители из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатор «Sika ViscoCrete – 3» и многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм. При использовании микроупрочнителей из полимерных волокон коэффициент конструктивного качества пенофибробетона составил 4,73, а базальтовых волокон - 5.62.

Обоснована возможность применения разработанных составов пенофибробетонов с использованием суперпластификатора «Полипласт СП-4», а также дисперсной арматуры из полимерных и базальтовых волокон. Установлено, что введение в сырьевую смесь дисперсной арматуры из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатора «Полипласт СП-4» способствует увеличению прочности на 25 – 27 % по сравнению с эталонным составом без суперпластификатора и волокнистых наполнителей.

Установлено, что использование комбинированной активации воды затворения, включающей вакуумный метод и химический способ с применением суперпластификаторов «Sika ViscoCrete - 3» и «Полипласт СП-3», а также дисперсной арматуры из полимерных и базальтовых волокон способствует увеличению прочности пенофибробетонов на 18 – 28 % при улучшенной удобоукладываемости смеси по сравнению с составом на обычной (неактивированной) воде.

Предложен ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 202040 (см) с повышенными теплозащитными свойствами на основе пенофибробетона с использованием полипропиленовых волокон. Изготовлены пенофибробетонные блоки с устройством в них системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм. Результаты исследований представлены в табл. 6.

Таблица 6

Значения коэффициентов теплопроводности предлагаемого

пенофибробетонного блока

№ п/п Число воздушных прослоек, =5мм Коэффициент теплопроводности блока, Вт/(мК) Коэффициент теплопроводности блока в кладке, Вт/(мК)
п.б.=500 кг/м3 п.б.=600 кг/м3 п.б.=500 кг/м3 п.б.=600 кг/м3
1 0 0,15 0,2 0,18 0,227
2 1 0,135 0,173 0,167 0,202
3 2 0,124 0,154 0,156 0,184
4 3 0,114 0,139 0,147 0,17
5 4 0,106 0,127 0,139 0,159
6 5 0,099 0,118 0,133 0,151
7 6 0,093 0,11 0,128 0,143
8 7 0,089 0,104 0,123 0,138
9 8 0,084 0,098 0,1195 0,132
10 9 0,081 0,093 0,116 0,128

Установлено, что с увеличением количества воздушных экранов происходит уменьшение коэффициента теплопроводности экранированного блока без снижения прочности. Наличие трех воздушных экранов в блоке с плотностью 600 кг/м3 уменьшает коэффициент теплопроводности в 1,4 раза, а в блоке с плотностью 500 кг/м3 в 1,3 раза по сравнению с полнотелым пенофибробетонным блоком. Это позволит улучшить энергоэффективность зданий и отказаться от использования дополнительных теплоизоляционных материалов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически проанализировано применение высокодисперсных волокнистых наполнителей, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер в ячеистых бетонах. Обоснована возможность повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет использования компонентов, упрочняющих структуру пенофибробетона на микроуровне.

2. Установлены основные физико-механические и химические свойства сырьевых компонентов применяемых пенофибробетонных смесей. Изучение свойств разработанных составов пенофибробетонов проводилось при помощи современных приборов разрушающего и неразрушающего контроля, а также методик, которые отвечают нормативной документации и обеспечивают достоверность полученных результатов. Исследование микроструктуры пенофибробетонных образцов производилось цифровым микроскопом «Альтами LCD» и сканирующим зондовым микроскопом Nanoeducator (NT-MDT).

3. Определено наиболее рациональное содержание фибровых волокон в бетонной смеси. Оптимальными являются составы фибробетона с концентрацией полипропиленовой фибры, составляющей 0,9 кг/м3, а базальтовой фибры - 1,0 кг/м3, которые приводят к максимальному увеличению прочности. Дальнейшее увеличение расхода фибры приводит к снижению прочности, а также к увеличению плотности.

4. В результате проведения исследований установлено, что по сравнению с другими пластифицирующими добавками применение суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5-800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» способствует получению составов пенофибробетонов с максимальной прочностью. При использовании этих добавок удалось понизить водоотделение и, как следствие, избежать расслаиваемости пенофибробетонной смеси.

5. Проведена оценка влияния аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* на свойства пенофибробетонов. Анализ результатов испытаний показал, что максимальную прочность показали составы, в которых концентрация аппретированных полых стеклянных микросфер составляла 50 % и 100 %. При использовании полых стеклянных микросфер и нанодобавки «Таунит», а так же фибровых волокон удалось снизить плотность пенофибробетона, при этом увеличить прочностные характеристики и трещиностойкость на микроуровне.

6. Для установления зависимости показателей прочностных характеристик пенофибробетона от совместного воздействия компонентов, входящих в его состав, был составлен математический план проведения полного 2-х факторного эксперимента. Проведена оценка влияния концентрации аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* в сочетании с разной концентрацией суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800», а так же влияние наноуглеродной добавки «Таунит» и суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4».

7. Проведенный микроскопический анализ образцов пенофибробетонов показал, что в исследуемых образцах наблюдается более равномерная упорядоченная микроструктура с большим количеством мелких упорядоченных замкнутых воздушных пор, образованных, в основном, наличием большого количества достаточно прочных полых стеклянных микросфер. Промежуточное пространство между указанными воздушными прослойками скреплено достаточно прочными фибро-армированными перегородками цементной матрицы.

8. Разработан и запатентован новый состав пенофибробетонной смеси и технология ее приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц суперпластификатора совместно с водой затворения и дополнительно вводимой наноуглеродной добавкой. Применение нанодобавки «Таунит» улучшило межчастичные электровзаимодействия на коллоидно-химическом уровне, что способствовало повышению реакционной способности смеси при снижении водоцементного отношения. В результате образуется упрочненная микроструктура межпоровых перегородок цементного камня, что наряду с применением в составе сырьевой смеси дисперсной арматуры из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатора «Sika ViscoCrete – 3» способствует увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов, приготовленных по предлагаемому способу.

9. Предложен ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 202040 (см) с повышенными теплозащитными свойствами на основе пенофибробетона с использованием полипропиленовых волокон. Изготовлены пенофибробетонные блоки с устройством в них системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм. Установлено, что с увеличением количества воздушных экранов происходит уменьшение коэффициента теплопроводности экранированного блока без снижения прочности. Наличие трех воздушных экранов в блоке с плотностью 600 кг/м3 уменьшает коэффициент теплопроводности в 1,4 раза, а в блоке с плотностью 500 кг/м3 в 1,3 раза по сравнению с полнотелым пенофибробетонным блоком.

10. Получен экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков путем частичной замены стандартного силикатного кирпича и уменьшения толщины стены. Это позволит значительно улучшить энергоэффективность зданий, снизить капитальные затраты на строительство и отказаться от использования дополнительных теплоизоляционных материалов.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 13 публикациях, в том числе:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Перфилов В.А., Аткина А.В., Кусмарцева О.А. Применение модифицирующих микроармирующих компонентов для повышения прочности ячеистых материалов // Известия вузов. Сер. : Строительство. 2010. № 9. С. 11—14.

2. Влияние активированной воды затворения и модифицирующих добавок на прочность ячеистых бетонов / В.А. Перфилов, А.В. Котляревская, О.Н. Вольская, О.А. Кусмарцева // Вестн. ВолгГАСУ. Сер : Стр-во и архитектура. 2011. № 22. С. 65—68.

Публикации в других изданиях:

3. Перфилов В.А., Котляревская А.В., Кусмарцева О.А. Сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления : патент на изобретение № 2422408 ; бюл. № 18 от 27.06.2011.

4. Перфилов В.А., Алаторцева У.В., Аткина А.В. Фибробетоны с применением модифицирующих нанодобавок // Вопросы применения нанотехнологий в строительство : сб. докл. участников круглого стола, посвящ. Междунар. недели строит. материалов. М. : МГСУ, 2009. С. 105—110.

5. Фибробетоны с макроупрочнителями и нанодобавками / В.А. Перфилов, У.В. Алаторцева, А.В. Аткина, О.А. Кусмарцева // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы III Всерос. науч.-техн. конф., г. Волгоград — г. Михайловка, 22-23 окт. 2009 г. Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. С. 236—238.

6. Перфилов В.А., Аткина А.В., Кусмарцева О.А. Фибробетоны с высокодисперсными волокнистыми наполнителями // Малоэтажное строительство: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : Международная науч.-практич. конф. в рамках Национального проекта «Доступное и комфортное жилье гражданам России». Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. С. 89—91.

7. Наномодифицированная структура вяжущих фибробетонов / В.А. Перфилов, У.В. Алаторцева, А.В. Аткина, О.А. Кусмарцева // Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области : материалы Всерос. науч.-техн. конф. Волгоград : ВолгГУ, 2009. С. 373—380.

8. Перфилов В.А., Котляревская А.В., Кусмарцева О.А. Применение наноуглеродных трубок для повышения прочности пенобетонов с полимерными и базальтовыми фибровыми волокнами // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов : Международная науч.-практич. конф. Белгород : БГТУ, 2010. С. 257—260.

9. Перфилов В.А., Котляревская А.В., Кусмарцева О.А. Модифицированные фибропенобетоны // Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья : Международная науч.-практич. конф. Волгоград : ВолгГАСУ, 2011. С. 236—238.

10. Перфилов В.А., Котляревская А.В. Применение волокнистых наполнителей и суперпластификаторов для повышения прочности пенобетонов // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : 6 Международная конф. Волгоград : ВолгГАСУ, 2011. С. 251—252.

11. Перфилов В.А., Лепилов В.И., Котляревская А.В. Пенофибробетонные блоки пониженной теплопроводности для ограждающих конструкций // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : 10-я Международная науч. конф. Волгоград : ВолгГАСУ, 2012. С. 439—444.

12. Энергоэффективные ограждающие элементы зданий и сооружений в суровых климатических условиях / А.В. Котляревская, В.А. Перфилов, А.Н. Гвоздков, В.И. Лепилов // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика : Международная науч.-практич. конф. Улан-Уде, 11-14 июля 2012. С. 123—125.

13. Перфилов В.А., Лепилов В.И., Котляревская А.В. Разработка современных энергоэффективных строительных материалов с высокими теплотехническими показателями // Энергосбережение и энергоэффективность Волгограда : Международный форум. Волгоград, 2012. С. 188—193.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 15.01.2013 г. Формат 60x84 1/16.

Гарнитура «Times New Roman». Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 7

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Отдел оперативной полиграфии

400074, Волгоград, ул. Академическая, д.1



 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная 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.