Улучшение свойств теплоизоляционного пенобетона на основе комплексного модификатора кмв
УДК 691.327.333 На правах рукописи
ШАРИПОВА АДИЯ АСКАРОВНА
Улучшение свойств теплоизоляционного пенобетона на основе
комплексного модификатора КМВ
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2010
Работа выполнена в Карагандинском государственном техническом университете
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор Ткач Е.В.
Научный консультант: доктор технических наук,
профессор Байджанов Д.О.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Садуакасов М.С.
кандидат технических наук
Пак С.Д.
Ведущая организация: Казахская академия транспорта
и коммуникаций имени М. Тынышпаева
Защита состоится « 30» октября 2010 года в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д 14.03.01 в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6, к. 306.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Научно-исследователь-ского и проектного института строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В.Радостровца, 152/6.
Автореферат разослан « » сентября 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н. |  | А. Куатбаев |
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Ресурсо- и энергосбережение на современном этапе экономических преобразований в Республике Казахстан становится определяющим фактором развития большинства отраслей промышленности, включая строительную. К одному из ее приоритетных направлений по разработке новых строительных материалов относится создание материалов металло- и теплосберегающих и малоотходных технологий производства ячеистых материалов. Их небольшая плотность способствует уменьшению расхода сырья при производстве и снижению массы строительных элементов, а низкая теплопроводность – сокращению энергозатрат на поддержание заданного температурного режима эксплуатируемых строительных сооружений, технологического оборудования и технических устройств.
В «Программе научно-технологического развития промышленности Республики Казахстан» отмечено, что реализация топливно-сырьевой модели развития промышленности страны не решает проблемы выхода нашего государства из экономических трудностей. Как отметил Президент РК Н.А. Назарбаев, необходимо уделять серьезное внимание развитию перерабатывающей промышленности. Такое развитие возможно только на основе разработки и внедрения в производство современных и постоянно обновляемых технологий и материалов, способных обеспечить конкурентоспособность и импортозамещение отечественной продукции на основе реализации научно-технологических разработок промышленной направленности.
Одним из приоритетных направлений прикладных исследований вышеназванной программы является создание и опытно-промышленное освоение производства строительных материалов и конструкций с использованием местного сырья и промышленных отходов, конкурентоспособных в условиях рыночной экономики.
В связи с этим, научные исследования, посвященные разработке составов и способов получения термостойких материалов с использованием местного минерального сырья и вторичных ресурсов, являются весьма актуальными.
В развитие технологии теплоизоляционных материалов и современных представлений о механизмах повышения их огнезащитных свойств существенный вклад внесли В.А. Китайцев, О.Е. Власов и другие ученые.
Последние десятилетия ознаменовались значительными достижениями в теории и технологии бетона с применением различных модифицирующих добавок, позволяющих эффективно управлять процессами структурообразования и получать бетонные материалы с заданными свойствами, в том числе с высокой сопротивляемостью повышенным температурам и агрессивным средам. Опыт приготовления эффективных комплексных полифункциональных модификаторов для бетона изложен в трудах В.Г. Батракова, М.И. Хигеровича, В.И. Соловьева и др.
Актуальность настоящей работы заключается в том, что улучшение строительно-технических свойств теплоизоляционного пенобетона достигается использованием модифицирующей добавки на основе вторичного сырья и отходов промышленности. Применение отходов промышленности позволит не только удешевить добавку и улучшить строительно-технические свойства пенобетона, но и решить задачи импортозамещения.
Целью работы является разработка состава и способа приготовления пенобетона улучшенных физико-технических свойств, обеспечивающих его работу в условиях повышенных температур.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- разработан состав и способ изготовления модифицирующей добавки (КМВ) на основе вермикулита (невспученного), кубовых остатков синтетических жирных кислот (КОСЖК), послеспиртовой барды (ПСБ) и золы тепловых электростанций;
- исследовано влияние предлагаемой добавки на устойчивость пенобетона к повышенным температурам;
- разработан технологический регламент производства комплексного модификатора и технические условия на пенобетон с этой добавкой;
- проведены опытно-промышленные испытания и технико-экономическое обоснование с экологической оценкой предлагаемых технических решений для внедрения в производство.
Научная новизна работы:
- научно обоснованы составы модифицирующей добавки и заполнителя для пенобетона, работающего в условиях повышенных температур. Для их получения использовали необожженный вермикулит, золу-унос, послеспиртовую барду и кубовые остатки синтетических жирных кислот;
- предложена модель, объясняющая повышение жаростойкости предложенного пенобетона вследствие включения в его состав вермикулита нормируемой фракции. В структуре цементного камня образуются «компенсаторы напряжений», которые вследствие своего пластинчато-ориентированного строения позволяют получить структуры, способные противостоять действиям повышенных температур;
- установлены особенности структуры теплоизоляционного пенобетона и механизм термического сопротивления материала в условиях повышенных температур (до 8000С). Однородность структуры объясняется присутствием заполнителя из тонкомолотой золы-уноса и вспученного вермикулита, а также наличием модификатора КМВ, играющего роль демпфера в зоне контакта «цементный камень – заполнитель»;
- установлено, что применение модифицирующей добавки и заполнителя улучшает строительно-технические свойства пенобетонных изделий, работающих в условиях повышенных температур. В бетон вводится компонент, содержащий активный кремнезем SiO2, который при температуре 700-9000С в результате реакций, протекающих в твердом состоянии, связывает оксид кальция.
Практическая ценность и реализация работы:
- предложена принципиальная схема приготовления модифицирующей добавки;
- разработаны составы модифицирующей добавки для пенобетона, работающего в условиях повышенных температур;
- предложена принципиальная схема изготовления тонкодисперсного заполнителя на основе местного сырья;
- установлена устойчивость предлагаемого пенобетона к повышенным температурам;
- произведена экологическая характеристика технологии, оценивающая эффективность утилизации отходов промышленности в производстве пенобетона;
- разработаны технические условия, технологический регламент на изготовление пенобетона, работающего в условиях повышенных температур, утвержденные ТОО «Степногорск Агрохимия», ТОО «Арлан Мунай 3».
Исходя из цели и задач исследований для получения высокоэффективных модифицированных пенобетонных материалов была принята следующая рабочая гипотеза.
Известно, что пенобетон обладает ограниченной устойчивостью к повышенным температурам, что ограничивает его область использования только в ограждающих теплоизоляционных конструкциях жилых и общественных зданий. Однако для устройства омоноличивающей теплоизоляции инженерных сетей и коммуникаций теплоэнергетических установок традиционный пенобетон ограничен в применении.
В этой связи с целью увеличения температурной стойкости пенобетона предлагается разработать новый состав и способ приготовления пенобетона на основе модификатора, способного существенно повысить стойкость материала к воздействию повышенных температур.
Предполагается, что предлагаемый модификатор за счет включения в его состав вермикулита (невспученного) обеспечит высокую стойкость к повышенным температурам (8000С) благодаря образованию в структуре цементного камня «компенсаторов напряжений», которые вследствие своего пластинчато-ориентированного строения позволяют получить структуры, способные противостоять действиям повышенных температур.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты оптимизации состава пенобетона с модифицирующей добавкой КМВ;
- технология приготовления комплексного модификатора;
- результаты реологических исследований цементных систем в присутствии модификатора КМВ;
- результаты исследования влияния предлагаемого модификатора на свойства пенобетона, работающего в условиях повышенных температур;
- результаты экспериментальных и опытно-промышленных работ по внедрению и технико-экономические показатели предлагаемых технических решений.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций гарантирована статистическими данными, применением современных методов расчета и лабораторного оборудования, обеспечивающего необходимый уровень надежности измерений.
Апробация работы и публикации
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях «Роль особо охраняемых природных территорий в сохранении лесов, экосистем и биоразнообразия Северного Казахстана» (Кокшетау, 2007); «Конкурентоспособный Казахстан: проблемы и решение» (Кокшетау, 2008); «Социально-экономические и исторические предпосылки и приоритеты развития Павлодарского Прииртышья» (Павлодар, 2008); «Архитектура и градостроительство: состояние и перспективы развития» (Астана, 2008); «Сейтеновские чтения» (Кокшетау, 2009); «Актуальные вопросы устойчивого социально-экономического развития и охраны окружающей среды в Республике Казахстан» (Кокшетау, 2009); «Сейтеновские чтения» (Кокшетау, 2010).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, приложений, содержит 105 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 25 таблиц, список использованных источников из 122 наименований.
Результаты работы получены автором самостоятельно.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1 Научно-технический анализ в области технологии теплоизоляционных материалов
Для поступательного экономического и социального развития страны, увеличения объемов жилищного строительства необходимо наращивание объемов производства строительных материалов с экономным использованием природных ресурсов и применением различных отходов производства. Создание замкнутых производственных циклов, способствующих снижению загрязнения окружающей среды и эффективному использованию отходов производств, требует изучения отходов различных отраслей как сырья для производства строительных материалов. Увеличение объемов применения вторичного сырья является одной из важнейших экономических, экологических и социальных задач обеспечения строительной отрасли дополнительным сырьем, рационального использования природных материалов, снижения материальных затрат и себестоимости выпускаемой продукции.
Вовлечение в производство вторичных материалов, создание замкнутых производственных циклов, способствующих снижению загрязнения окружающей среды и эффективному использованию отходов производств, требует изучения возможностей использования отходов различных отраслей в качестве источника сырья для производства строительных материалов. Увеличение объемов их применения является одной из важнейших экономических, экологических и социальных задач, обеспечения строительной отрасли дополнительным сырьем, рационального использования природных материалов, снижения материальных затрат и себестоимости выпускаемой продукции.
В строительстве тепловая изоляция позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкций (стен, кровли), снижать расход основных строительных материалов (кирпича, бетона, древесины), облегчать конструкции и снижать их стоимость, уменьшать расход топлива в эксплуатационный период. В технологическом и энергетическом оборудовании тепловая изоляция снижает потери теплоты, обеспечивает необходимый технологический температурный режим, снижает удельный расход топлива на единицу продукции, оздоровляет условия труда. Чтобы получить достаточный эффект от применения тепловой изоляции, в инженерных проектах производятся соответствующие тепловые расчеты, в которых принимаются их конкретные разновидности теплоизоляционных материалов и учитываются их теплофизические характеристики. Эти мероприятия позволяют успешно решать народнохозяйственную проблему экономии топливно-энергетических ресурсов.
Теплоизоляционные изделия с неорганическим каркасом универсальны, их отличает высокая жаростойкость. Для производства неорганических изделий применяются сравнительно небольшое количество исходных материалов, используемых для создания каркаса, в качестве связующего и порообразователя. Однако свойства изделий можно регулировать в широких пределах, изменяя технологию обработки, состав материала, величину и характер пористости.
2 Характеристика материалов для приготовления пенобетона и методы исследований
Характеристика материалов
Научно-исследовательские и практические работы выполнены с применением цемента, тонкодисперсного минерального наполнителя и комплексного модификатора.
В качестве вяжущего использовали бездобавочный портландцемент марки 500.
Испытания свойств вяжущего проводили по ГОСТ 310.1-4 «Цемент. Методы испытаний», химический анализ – по ГОСТу 5382-91.
В качестве наполнителя применяли золу-унос Кокшетауской ТЭС и вермикулит п. Пахарь Акмолинской области. Зола соответствует требованиям ГОСТ 25878, вермикулит – ГОСТ 12865.
В качестве пенообразователя для получения пенобетона применяли пеноконцентрат ПБ 2000 (ГОСТ 2481-185-05744685-01) – синтетический пеноконцентрат коричневого цвета. Использованный пеноконцентрат является экологически чистым, химически нейтральным продуктом, не содержащим хлоридов и обеспечивающим высокое качество пенообразования.
Для приготовления комплексных модификаторов применяли:
- вермикулит Акмолинского месторождения, отвечающего требованиям ГОСТ 12865-67;
- послеспиртовую барду, отвечающую требованиям ТУ1110 РК 00393896 ОАО 01-2003;
- гидрофобизирующий ингредиент – кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК);
- золу-унос, г. Кокшетау, ГОСТ ТУ 25818.
Выбор ингредиентов осуществлялся на основе изучения опыта работы передовых предприятий ближнего и дальнего зарубежья с учетом требований к добавкам-модификаторам по действующим нормативным документам, в частности ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические требования».
Сырьевые материалы подобраны с позиций требований рынка, с учетом доступности цены и качества.
Методика исследований цементного камня и бетона
В настоящей работе использованы стандартные методы исследований свойств сырьевых материалов, а также материалов, полученных на их основе. Применялись также специальные приемы исследований и собственные разработанные методики, которые приведены в ходе изложения диссертационного материала. Использованы рентгенографические, электронно-микроскопические и другие физико-химические методы исследований цементного камня и бетона.
Пористость модифицированных цементных материалов изучалась с применением световой спектроскопии и ртутной порометрии.
Испытания свойств вяжущего проводили по ГОСТ 310.1-4 «Цемент. Методы испытаний».
Свойства бетонной смеси определяли по ГОСТ 1018.0-4 «Смеси бетонные. Методы испытаний».
Основные свойства бетона, такие как прочность при сжатии и растяжении, призменная прочность, деформативные свойства, морозостойкость, водонепроницаемость, определялись по ГОСТу 10180-90 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона», ГОСТу 24544-81 «Бетоны. Методы определения деформации усадки и ползучести», ГОСТу 109060.1-95 «Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости», ГОСТу 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости», ГОСТ 20910-90 «Бетоны жаростойкие».
Применяли нестандартный метод исследования по определению схватывания и сроков твердения пенобетонного раствора при помощи электрического сопротивления.
Применение математического метода планирования эксперимента для оптимизации составов пенобетона
С помощью метода математического планирования эксперимента была проведена оптимизация составов пенобетона с комплексным модификатором.
Результаты оптимизации были проверены с помощью интерполяции экспериментальных значений с применением полинома Лагранжа. После обработки данных получены оптимальные значения исследуемых факторов: содержание добавки КМВ X1=2%, водоцементное отношение X2=0,30, содержание наполнителя X3=17,5% на 1 м3 пенобетона. При этом прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения Y1=4,7757 МПа, водопоглощение Y2 =12,1740 %.
В результате проведенных исследований методом математического планирования эксперимента определен оптимальный состав пенобетонной смеси для получения пенобетона плотностью 600 кг/м3 с наилучшими физико-техническими свойствами.
3 Разработка способов приготовления модифицированных пенобетонных изделий. Технология приготовления комплексного модификатора
Имеющиеся в настоящее время добавки разнообразны по своему составу и свойствам и применяются с целью регулирования качества бетонных смесей и придания бетонам специальных свойств.
Добавки в бетонных смесях и растворах могут давать один эффект или несколько. Они могут повышать удобоукладываемость и формируемость бетонной смеси, а также однородность бетона, снижать расход цемента (до 10-15%), повышать прочность бетона (~ до 25%), изменять сроки схватывания и ускорять или замедлять твердение, обеспечивать твердение при отрицательных температурах, повышать плотность, водонепроницаемость, морозостойкость и улучшать защитные свойства бетона.
Технологическая схема получения комплексного модификатора КМВ приведена на рисунке 1.
Помольная установка привязывается к промплощадке предприятия с подключением внутриплощадочных сетей теплоснабжения, водоснабжения, канализации, связи.
Технология приготовления пенобетонных изделий методом двухстадийного введения пены
В последние годы возрос объем производства пенобетона. В технологии приготовления пенобетона используют основные методы:
1. Классический (традиционный) метод, заключающийся в раздельном приготовление высокократной пены и поризуемого раствора, последующего их смешивания в отдельном смесителе, или в смесителе для приготовления раствора;
2. Метод сухой минерализации пены (непрерывного производства пенобетона), заключающийся в раздельном приготовлении низкократной пены и ее минерализации сухими компонентами смеси, путем постепенного и равномерного введения их в приготавливаемую пеномассу при одновременном перемешивании в смесителе.
Каждый из рассматриваемых методов имеет свои технологические преимущества и недостатки, используя их целенаправленно можно управлять свойствами пенобетонной смеси и пенобетона. На рисунке 2 показаны кривые, характеризующие применяемые методы. Метод сухой минерализации пены характеризуется пониженной водопотребностью пенобетонной смеси, что ускоряет твердение и повышает прочность пенобетона при равных расходах цемента.
1 – невспученный вермикулит; 2 – зола-унос; 3 – термоемкость хранения КОСЖК; 4 – термоемкость хранения ПСБ; 5 – термоемкость воды; 6 – дозатор; 7 – мельница; 8 – промежуточная емкость; 9 – роторно-пульсационный аппарат; 10 – смеситель; 11 – сушильная камера; 12 – гранулятор; 13 – склад готовой продукции
Рисунок 1 – Технологическая схема получения КМВ
1-классический метод; 2- метод сухой минерализации
Рисунок 2 – Водопотребность пенобетонной смеси
Принимая во внимание накопленный опыт в производстве ячеистых бетонов, нами совместно с инженером Д.С. Дюсембиновым была рассмотрена технология получения пенобетонных изделий методом двухстадийного введения пены (рисунок 3).
1 – вода; 2 – модификатор КМВ; 3 – пеноконцентрат; 4 – ёмкость для низкоконцентрированного раствора пеноконцентрата и ПСБ (1:1); 5 – ёмкость для раствора модифицированного пеноконцентрата в воде(1,2:40) л; 6 – цемент; 7 – заполнитель; 8 – дозатор; 9– пеногенератор; 10 – компрессор; 11– растворосмеситель 12 – формы
Рисунок 3 – Технологическая схема получения пенобетона методом
двухстадийного введения пены
Для получения пенобетона методом двухстадийного введения пены необходимо: в емкость для пеноконцентрата (4) вводить низкоконцентрированный пеноконцентрат, затем полученную пену необходимо перемешать с заранее приготовленной сухой смесью цемента и заполнителя. В емкость (5) вводим пеноконцентрат, модифицированный добавкой КМВ; полученную смесь проводим через пеногенератор (9) и совмещаем с предварительно смоченным низкоконцентрированной пеной пенобетонным раствором. Все тщательно перемешивается в растворосмесителе (11) и разливается по формам (12).
Таким образом, при производстве пенобетона методом двухстадийного введения пены эффект достигается в результате как модификации цемента, так и модификации пены, что обеспечивает снижение водопотребности пенобетонной смеси, экономию расхода цемента и получение устойчивой поровой структуры пенобетона.
4 Влияние комплексного модификатора на свойства цементных систем
Известно, что при воздействии высоких температур разрушается структурная оболочка цементного вяжущего, так как оно является самым слабым звеном в бетонном составляющем. Структура тяжелого бетона имеет уплотненный каркас, состоящий из конгломерата крупного, мелкого заполнителя и цемента. Высокая температура разрушает только поверхность тяжелого бетона. Для легкого бетона, даже для конструкционного, повышенная температура негативно сказывается на эксплутационных свойствах материала в целом. Исправить ситуацию, по нашему мнению, возможно применением комплексного модификатора, который будет выполнять роль демпфера (прокладки) в зоне контакта «цементный камень – заполнитель».
Особенности структурообразования
Известно, что многие свойства бетона зависят от качества поровой структуры цементного камня. Как утверждают Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов и др., соотношение открытой и закрытой пористости оказывает существенное влияние на свойства цементного камня.
Рассмотрено улучшение поровой структуры модифицированного цементного камня на примере состава с использованием модификатора КМВ и бездобавочного состава. Добавка КМВ принята 2,0% от массы цемента.
Микропористость определяли с помощью метода ртутной порометрии. Результаты этих исследований приведены на рисунке 4.
Отмечается некоторое улучшение качества поровой структуры цементного камня под действием КМВ в сравнении со структурой камня эталонного состава без добавки: наблюдается уменьшение радиуса пор до 60 мкм (преобладающие) против 75 мкм в возрасте 28 суток и до 48 мкм против 52 мкм в возрасте 1 год. При этом макропористость цементного камня с добавкой КМВ ниже на 40-45 % в сравнении с макропористостью камня без модификаторов и на 9-10 % - добавкой КМ-2.
Анализ микропористости показывает, что модификатор КМ-В позволяет значительно снизить суммарный объем микропор, в среднем до 98 мм3/г, то есть на 8-10 % в сравнении с цементным камнем без добавок. Из данных видно, что характер формирования микропористости цементного камня с КМВ имеет небольшой тренд в сторону улучшения микропористости – снижение суммарного объема микропор на 1,0-1,5%.
При помощи электронного сканирующего микроскопа получены микрофотографии поверхностей скола исследуемых составов. Цементный камень с добавкой КМВ характеризуется плотной структурой, однородностью склеивания новообразований в цементном камне поровых перегородок, что обеспечивает качественную поровую структуру пенобетона.
Однородность структуры объясняется присутствием заполнителя из тонкомолотой золы-уноса и вспученного вермикулита, а также наличием модификатора КМВ, играющего роль демпфера в зоне контакта «цементный камень – заполнитель».
а – состав без добавок; б – с добавкой 2,0 % КМВ; в - с добавкой 0,4 % КМ-2
Рисунок 4 – Влияние модифицирующих добавок на пористость цементного камня (28 сут нормального твердения)
Как известно, прочность пенобетона является интегральной характеристикой, которая зависит от свойств компонентов, композиционного состава, текучести пенобетонной смеси, технологии формования и условий протекания процессов твердения.
Результаты исследований текучести пенобетонной смеси с добавкой КМВ, КМ-2 приведены на рисунке 5.
Согласно рисунку 5, предложенный нами состав имеет соответствующую водопотребность в пределах 0,28–0,41%, что существенно способствует улучшению прочности пенобетонного изделия.
1 –без добавок; 2 – пенобетон с модификатором 2,0 % КМВ; 3 – пенобетон с добавкой КМ-2 0,4%
Рисунок 5 – Влияние водоцементного отношения на текучесть
пенобетонной смеси
Основной показатель качества теплоизоляционного материала – коэффициент теплопроводности.
Таблица 1 – Значение теплопроводности пенобетона в зависимости от состава (плотность пенобетона 600 кг/м3)
| Добавка, % от массы цемента | Коэффициент теплопроводности пенобетона в сухом состоянии, Вт/(м град С), не более | Средняя прочность на сжатие, МПа |
| Без добавки | 0,12 | 3,1 |
| 2,0 % КМВ | 0,11 | 3,6 |
| 0,4 % КМ-2 | 0,14 | 3,5 |
Пенобетон, модифицированный добавкой КМВ, имеет меньшую теплопроводность.
Входящий в состав заполнителя вспученный вермикулит после охлаждения сохраняет приобретенный им объем с очень тонкими прослойками воздуха между листочками слюды. В результате обожженный вермикулит обладает целым рядом ценных качеств – низкой теплопроводностью, высокой огнестойкостью и звукопоглощением.
Водопоглощение и связанная с ним морозостойкость пенобетона в большой мере зависят от качества пористой структуры. Чем меньше капиллярная пористость, равномернее распределены и более замкнуты газовые поры, тем ниже водопоглощение и выше морозостойкость бетона.
Анализ полученных данных показывает, что бетоны без добавок выдерживают 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания, тогда как бетон с модификатором выдерживает 65. Снижение прочности модифицированного пенобетона происходит медленнее, что указывает на потенциальные возможности модифицированных пенобетонов.
Температурная стойкость характеризует способность жаростойкого бетона выдерживать резкие колебания температуры (теплосмены) без нарушения структуры.
Жаростойкость составов определялась в соответствии с ГОСТ 20910-90 нагревом образцов цементного камня до 300; 600; 700 и 800 0С и определением их прочности (Rcж) и теплопроводности () на каждой ступени нагрева. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Определение жаростойкости составов пенобетона
| Температура, 0С | 200 | 3000 | 6000 | 7000 | 8000 |
| Пенобетон с добавкой КМВ | |||||
| Rcж, МПа | 4,8 | 4,2 | 3,9 | 3,6 | 3,3 |
| , % | 100 | 92 | 74 | 63 | 52 |
| Пенобетон с добавкой КМ-2 | |||||
| Rcж, МПа | 4,5 | 4,0 | 3,8 | 3,5 | 2,9 |
| , % | 100 | 87 | 69 | 54 | 38 |
| Пенобетон без добавок | |||||
| Rcж, МПа | 4,6 | 3,8 | 3,2 | 2,6 | 1,8 |
| , % | 100 | 82 | 45 | 33 | 28 |
Полученные результаты говорят о высоких теплоизолирующих свойствах бетонов при достаточной прочности. Расчетная жаростойкость этих бетонов не ниже 800 0С.
Анализ показывает, что модифицированный бетон существенно отличается основными физико-механическими свойствами по отношению к обычному бетону без добавок. При совмещении цемента с комплексным модификатором его ингредиенты создают защитный слой цементного камня и придают цементу не только устойчивость к повышенной температуре, но и улучшенные физико-механические свойства.
5 Производственные работы по внедрению результатов исследований. Технико-экономический анализ эффективности принятых решений
Опытно-промышленные испытания предлагаемой технологии получения модифицированного пенобетона двухстадийным введением пены проводились на предприятии ТОО «Степногорск Агрохимия».
В таблице 3 приведены основные характеристики полученного пенобетона.
Таблица 3 – Основные характеристики пенобетона
| Характеристика | Ед. изм. | Пенобетон | |
| Средняя плотность сухого образца | кг/м | 400 | 600 |
| Коэффициент теплопроводности (сух) (l) | Вт/м0С | 0,13 | 0,17 |
| Коэффициент теплопередачи - К толщины стены: 200 мм 250 мм 300 мм 350 мм 400 мм | ккал/м2ч 0С | 0,50 0,39 0,35 0,29 0,26 | 0,71 0,58 0,49 0,43 0,40 |
| Прочность на сжатие 21 день 28 дней | кг/см2 | 10 12 | 21 25 |
| Морозоустойчивость не менее 25 циклов | Не разрушается | ||
Технико-экономический анализ применения модификатора КМВ в пенобетоне
При расчете экономической эффективности использования модификатора принято основное положение, вытекающее из проделанной научно-исследовательской работы: возможность экономии цемента в среднем на 15 % за счет снижения водопотребности и улучшения строительно-технических свойств отвердевшего бетона.
Годовой экономический эффект определяется по формуле:
Э = (З1-З2)х A=(С1+Eн.K1)-(C2+EнхK2)хA,
где З1 и З2 - приведенные затраты на единицу продукции, изготавливаемой соответственно без добавки и с добавкой КМ-В;
С1 и С2 - себестоимость продукции без добавки и с добавкой;
K1 и К2 - соответствующие удельные капитальные вложения в сравниваемых вариантах;
Ен - нормативный коэффициент эффективности, равный 0,12-0,15;
А - годовой объем производства продукции, 50000 мЗ.
Эгод = (7834 - (7326+ 0,15x10))х 50000 = 25 325 000 тенге
Экономический эффект на 1 м3 бетона Э1 = 506,5 тенге/м3.
Разработка технической документации
В ходе реализации исследований разработаны нормативно-технические документы, регламентирующие технологический процесс приготовления комплексных модификаторов, подготовки технологических параметров производства пенобетона методом двухстадийного введения модифицированной пены.
Разработаны и утверждены Стандарт организации «Изделия теплоизоляционные пенобетонные на основе комплексных модификаторов», технические условия, СТ ТОО 40576141-01-2008 (ТОО «Арлан Мунай 3», 2008), временный технологический регламент на изготовление комплексного модификатора типа КМВ (ТОО «Арлан Мунай -3», 2009), временный технологический регламент на изготовление теплоизоляционного пенобетона на основе комплексного модификатора КМВ (ТОО «Арлан Мунай -3», 2009).
Разработанные нормативно-технические документы позволяют проводить работы по внедрению комплексной вспучивающейся добавки для получения высокоэффективного пенобетона заданных физико-технических свойств.
Выпущена опытно-промышленная партия пенобетонных изделий, получены акты внедрения на предприятиях ТОО «Степногорск АгроХимия», г. Степногорск, ТОО «Арлан Мунай 3», г. Кокшетау.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Предложена технология производства модифицирующей добавки на основе вермикулита и отходов местного производства. В данной работе решаются задачи получения высокоэффективного комплексного модификатора КМВ. Для получения модифицирующей добавки использовались необожженный вермикулит, зола-унос теплоэлектростанций, послеспиртовая барда, кубовые остатки синтетических жирных кислот.
2. Установлено, что предложенная добавка повышает термическую стойкость изделий и строительных конструкций из пенобетона вследствие включения в его состав вермикулита (невспученного), обеспечивающего высокую стойкость к повышенным температурам (8000С). В структуре цементного камня образуются «компенсаторы напряжений», которые вследствие своего пластинчато-ориентированного строения позволяют получить структуры, способные противостоять действиям повышенных температур. Полученные результаты говорят о высоких теплоизолирующих свойствах бетонов при достаточной прочности. Расчетная жаростойкость этих бетонов не ниже 800 0С.
3. Эффективное использование золы-уноса в производстве пенобетона способствует созданию замкнутых производственных циклов, снижению загрязнения окружающей среды и рациональному использованию отходов производств. Увеличение объемов их применения является одной из важнейших экономических, экологических и социальных задач, обеспечения строительной отрасли дополнительным сырьем, рационального использования природных материалов, снижения материальных затрат и себестоимости выпускаемой продукции. Предложена усовершенствованная технология утилизации отходов промышленности.
4. Разработана технология получения тонкодисперсного заполнителя на основе золы-уноса и вермикулита, необходимого для улучшения физико-механических свойств пенобетона, позволяющую решить задачу утилизации отходов ТЭЦ.
5. Предложена эффективная технология получения пенобетонных изделий с улучшенными теплоизоляционными свойствами. Вермикулит как теплоизоляционный материал способствует уменьшению теплопроводности бетонных изделий. Испытания показывают, что жаростойкие свойства состава проявляются уже после нагрева до 3500С, что обусловливает увеличение общей продолжительности прогрева по сравнению с обычным составом без КМВ.
6. На основе проведенных исследований установлено, что при использовании модифицирующей добавки наблюдается:
- снижение водоцементного соотношения за счет пластифицирующих действий ПСБ;
- влияние вермикулита на прочность материала и устойчивость его к повышенным температурам (увеличение прочности возникает вследствие малой насыпной плотности минерала);
- снижение водопоглощения цементной смеси вследствие гидрофобных свойств добавки.
7. Опытно-промышленные испытания, проведенные на предприятии ТОО «Степногорск Агрохимия» и ТОО «Арлан Мунай 3» подтвердили возможность получения модифицированного пенобетона с повышенными физико-механическими свойствами и экономии цементного вяжущего на 20%. Экономический эффект на 1 м3 бетона составляет 506,5 тенге/м3.
8. Разработаны стандарт организации производства модифицированного пенобетона, временный технологический регламент на изготовление комплексного модификатора типа КМВ и технологию производства модифицированного теплоизоляционного пенобетона, получены акты внедрения технологического процесса.
Оценка полноты решений поставленных задач. В работе были поставлены и решены в полном объеме задачи, включающие разработку вспучивающейся добавки и исследование ее влияния на строительно-технические свойства пенобетона. Проведение опытно-промышленных испытаний, разработка стандарта организации и технологического регламента производства предложенной добавки характеризуют полноту реализации поставленных задач.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты, стандарт организации на модифицированные пенобетонные изделия рекомендуются для внедрения на предприятиях стройиндустрии Республики Казахстан.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. По предлагаемой технологии производства теплоизоляционного пенобетона происходит снижение расхода цемента, что обеспечивает экономический эффект.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. По научно-практической значимости данная работа полностью соответствует современному научно-техническому уровню. Главным результатом является получение эффективной комплексной вспучивающейся добавки для теплоизоляционных пенобетонов.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Шарипов С.М., Дюсембинов Д.С., Касым Ш.Ж., Шарипова А.А. Технология получения бетона с улучшенными свойствами // Вестник Кокшетауского университета. – 2006. –С.91-93.
- Ткач Е.В., Шарипова А.А. Применение вермикулита в производстве теплоизоляционных пенобетонов // Вестник Кокшетауского университета. – 2007. –С.108-110.
- Ткач Е.В., Шарипова А.А. Использование комплексной вспученной добавки в производстве огнестойких материалов // Вестник Кокшетауского университета. – 2007. –С.142-144.
- Шарипов С.М., Касым Ш.Ж., Бекпергенова Ж.Б., Шарипова А.А. Особенности применения отходов спиртового производства // Роль особо охраняемых природных территорий в сохранении лесов, экосистем и биоразнообразия Северного Казахстана: материалы Междунар. научно-практ. конф. – Кокшетау, 2007. –С.136-139.
- Байджанов Д.О., Дюсембинов Д.С., Шарипова А.А. Теплоизоляционные пенобетонные изделия на основе комплексных модификаторов // Конкурентоспособный Казахстан: проблемы и решение: материалы Междунар. научно-практ. конф. – Кокшетау, 2008. –С.103-104.
- Шарипов С.М., Дюсембинов Д.С., Шарипова А.А. Технология приготовления модифицированных бетонных изделий // Социально-экономические и исторические предпосылки и приоритеты развития Павлодарского Прииртышья: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Павлодар, 2008.- Т.3.-С. 249-253.
- Шарипов С.М., Шайлятов Б.К., Шарипова А.А. Модифицированные полимерцементные материалы, работающие в условиях агрессивных сред и повышенных температур // Социально-экономические и исторические предпосылки и приоритеты развития Павлодарского Прииртышья: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Павлодар, 2008.- Т.3.-С.355-359.
- Шарипова А.А Комплексные вспучивающиеся модификаторы для пенобетона, устойчивого к повышенным температурам // Социально-экономические и исторические предпосылки и приоритеты развития Павлодарского Прииртышья: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Павлодар, 2008.- Т.3.-С.
- Шарипов С.М., Дюсембинов Д.С., Шарипова А.А. Влияние добавок и наполнителей на свойства модифицированного бетона // Архитектура и градостроительство: состояние и перспективы развития: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Астана, 2008.- С. 178-181.
- Ткач Е.В., Шарипова А.А. Особенности комплексной вспучивающейся добавки при производстве строительных материалов // Актуальные вопросы устойчивого социально-экономического развития и охраны окружающей среды в Республике Казахстан: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Кокшетау, 2009.- С. 466-468.
- Шарипова А.А. Усовершенствованная технология получения теплоизоляционного пенобетона // Сейтеновские чтения: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Кокшетау, 2009.- С. 426-428.
- Шарипов С.М., Бекпергенова Ж.Б., Шарипова А.А. Улучшение строительно-технических свойств бетона комплексными добавками на основе отходов промышленности // Вестник ПГУ им. Торайгырова. – 2010. –С.127-131.
- Шарипова А.А. Экономическая эффективность применения комплексной вспучивающейся добавки в производстве пенобетона // Вестник ПГУ им. Торайгырова. – 2010. –С.131-136.
- Шарипов С.М., Шарипова А.А. Особенности комплексной вспученной добавки при производстве строительных материалов // Строительный вестник Тюменской области. – 2010.- С.45-46.
- Шарипов С.М., Ткач Е.В., Шарипова А.А. К вопросу о структурообразовании теплоизоляционных пенобетонов // Сейтеновские чтения: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Кокшетау, 2010.- С. 397-400.
- Шарипов С.М.. Шарипова А.А. Особенности получения пенобетона с улучшенными теплофизическими свойствами // Вестник НИИстромпроекта.- 2010.- № 1-2.- С.18-21.
- Шарипова А.А. Исследование физико-механических свойств модифицированного теплоизоляционного пенобетона // Вестник КазГАСА.-2010.-№ 1.- С.142-145.
- Ткач Е.В., Шарипова А.А. Комплексные модификаторы для теплоизоляции пенобетонов на основе местного сырья // Актуальные проблемы современности.- Караганда, 2010.- №6 (56). –С.105-107.
- Шарипов С.М., Касым Ш.Ж., Шарипова А.А. Технология изготовления жаростойких легких бетонов.- Кокшетау: «Ккше», 2010.- 151 с.
ТЙІН
Шріпова Адия Асарызы
КМВ кешенді модификатор кмегімен жылуды ошалайты кбік-бетонны асиеттерін жасарту
05.23.05 – рылыс материалдары жне бйымдары
Зерттеу нысаны. нерксіпті жергілікті алдытары негізінде кбікбетонны рылысты техникалы асиеттерін жасарту шін кешенді модификациялы КМВ осындыларды тсілдерін даярлау.
Зерттеу масаты.
Жоары температура жадайда пайдаланылатын модификацияланан кбік-бетона кешенді модификацияланан осындыларды рамын даярлау.
Зерттеу дістері. Жмыс физикалы механикалы сынатар жне тжірибені математикалы жоспарлау дістерін олдану арылы азіргі заманы кешенді дістерді пайдалана отырып орындалан.
Зерттеу нтижелері.
- нерксіп алдытары жне вермикулит негізінде жасалан осындыларды технологиясы зірленді. Осы жмыста жоары асиетті КМВ кешенді модификаторды алу шін масаттары шешіледі. Кпіретін осындысы алу шін біз кйдірілмеген вермикулит, гидрожоюшы кл, спирттен соы барда суды олданды.
- сынылан осынды рылыс конструкцияларды ота арсы тру абілетті аситеттерін жоарлататындыын аныалды.
- сынылан осындысы рылыс бйымдарды ота арсы тру абілетін, жне даярланан осынды бетоны жылуды ошалайты асиеттерін жоартатыны аныталды. Осы бетоннны ыстыы арсы тру абілеті 8000С тмен емес.
- Гидрожоюшы кл жне вермикулит негізінде са тйіршікті толтырышты дайындау схемасы берілді.
- Жоары жылуды ошалау асиетті кбікті бетонды дайындау шін технологиясы даярланды. Жылуды ошалайты вермикулит бетонды бйымдарды жылуылалды абілетін тмендетеді. Жылуылалды абілетін тмендететіндігі ірі тесіктері арнайы екендігі аныталды. 3500С жылтатыннан кейін от сатайты аситтері аныталатындыы тжірибе крсетті.
- Кешенді кпіретін осындысын олданан кезде тжірибелік жолмен кбікті бетонны келесі асиеттері аныталды:
- спирттен соы барда суды олдананда сужту асиеті азайтылды;
- кпірген вермикулит бетонны мытылы асиеттерін жасартады жне жоары температураны зиянын азайтады;
- осындысты гидрофобты аситтері кбік-бетоны сужту асиетін азайтады
Негізгі рылымды технологиялы трыдан бейімделген сипаттамалар.
- кпіретін осындыны жасауды принципиалды схемасы сынылды;
- жоары температура жадайында пайдаланатын бйымдар шін кешенді кпіретін осындысыны рамы даярланды;
- температураа тзімділігі асиетті толтырышты принципиалды схемасы сынылды.
Нтижелерін ендіру. Техникалы шешімдері ЖШС «Степногорск Агро-Химия», Степногорск., ЖШС «Арлан –Мунай, 3», Ккшетау.
олдану аясы. Модификацияланан кбік-бетонды ндірістік, трын имараттарды жне ртрлі нысандарды ру кезінде олданады.
Техникалы-экономикалы тсініктемесі. Жасап шыарылан кбік бетон бйымдарды олдануды экономикалы тиімділігі 506,5 тенге/м3 (2010 жылы баалар бойынша).
Практикада олданылуы.
ндіріс алдытарынан алынатын кешенді модификаторларды олдану жне кбік-бетон алуды жаа дісі материалды рылысты-техникалы асиеттерін жасартады.
SUMMARY
Sharipova Adiya Askarovna
Improvement of properties of heat insulating foam concrete on the basis of complex modifier CMV
05.23.05 – “Construction materials and products” thesis work for candidate of technical sciences degree
Object of research: technology of preparation of complex modifier and modified foam concrete materials with improved physical and technical properties.
The aim of investigation: the aim of this work is working out of structure and way of preparation of foam concrete of the improved physical and technical properties which are ensuring functioning in the conditions of raised temperatures. The results of investigation:
1. Production technology of the modifying additive on basis vermiculite and waste of local manufacture is offered. In this work problems of reception of highly effective complex modifier KMV are solved. For reception of the modifying additive were used not burnt vermiculite, ashes-ablation of thermal power stations, afterspirit bard, the rests of synthetic fat acids. Decrease of water-cement relations as a result of hydrophilic actions of modifying additives allows to increase significantly the foam concrete hardness, and hydrophobing action of the additive – to decrease water absorption and to increase durability of foam concrete.
2. It is established that the offered modifier raises thermal firmness of products and building designs from foam concrete owing to inclusion vermiculite in its structure, providing high firmness to the raised temperatures. In structure of a cement stone jacks of pressure, which owing to the plated-focused structure allow to receive the structures, capable to resist to actions of the raised temperatures, are formed. The received results testify about high heat insulating properties of concrete at sufficient durability. Settlement heat resistance of these concrete is not more low 8000С.
3. The ashes-ablation effective utilisation in foam concrete manufacture promotes creation of the closed production cycles, decrease in environmental contamination and rational use of a waste of manufactures. The increase in volumes of their application is one of the major economic, ecological and social problems, maintenance of building branch with additional raw materials, rational use of natural materials, decrease in material inputs and the cost price of let out production. The advanced technology of recycling of a waste of the industry is offered.
4. The effective technology of reception foam concrete products with improved heat insulating properties is offered. Vermiculite as a heat insulating material promotes reduction of heat conductivity of concrete products.
On the basis of the spent researches it is established that the usage of the modifying additive is observed:
- decrease in a water cement parity for the account hydrophilic actions of the afterspirit bard;
- influence of vermiculite on durability of a material and its stability to the raised temperatures (the durability increase arises owing to small bulk density of a mineral);
- decrease in water absorption of a cement mix owing to waterproof properties of the additive.
Implementation of results. Technical decisions were introduced in “Stepnogorsk Agro-Chemistry” ltd, Stepnogorsk, “Arlan-Munai, 3” ltd, Kokshetau city.
Sphere of application. Modified foam concrete is applied in production of living buildings and other objects for different purposes.
Technical-economical substantiation. Economical effect from developed foam concrete products application comprises approximately 506,5 tenge/m (2010).
Подписано к печати «27» сентября 2010 г.
Формат 60х84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.
Объем 1,2 п.л.
________Тираж 100 экз. Заказ № 235_______________
Типография АО «НЦ НТИ»
050026, г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 221
