Ячеистые стеновые материалы на основе минерализованных пен из жидкого стекла
На правах рукописи
ЛЕБЕДЕВА ТАТЬЯНА АНАТОЛЬЕВНА
ЯЧЕИСТЫЕ СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ
МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПЕН ИЗ ЖИДКОГО СТЕКЛА
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск - 2004
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Братский государственный технический университет» (ГОУ ВПО «БрГТУ»)
Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент кафедры СМиТ БрГТУ С.А. Белых
Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук,
профессор А.В. Мананков
кандидат технических наук,
главный технолог ЗАО ТЗКМиИ
В.А. Майдуров
Ведущая организация - Новосибирский государственный
архитектурно-строительный университет
(Сибстрин)
Защита состоится 26 марта 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212. 265. 01 в Томском государственном архитектурно – строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная, 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан “____” ______________ 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Н.К. Скрипникова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы:
Для регионов с суровыми климатическими условиями вопросы повышения энергоэффективности ограждающих конструкций, отраженные новыми требованиями СНиП II-3-79* “Строительная теплотехника”, стоят особенно остро. Значительная роль в решении этих вопросов отводится внедрению энергоэффективных строительных материалов. Имеются примеры использования многослойных ограждающих конструкций с эффективным утеплителем, удовлетворяющих требованиям второго этапа СНиП II-3-79* и нашедших широкое применение в различных регионах России. В г. Братске, приравненном к районам Крайнего Севера, существует потребность в новых энергоэффективных строительных материалах для ограждающих конструкций.
Немаловажным аспектом в производстве строительных материалов является рациональное использование сырьевой базы. Как показывает российский и зарубежный опыт, использование отходов промышленности в производстве строительных материалов позволяет покрыть потребность в сырьевых ресурсах, сократить затраты на изготовление строительных материалов и снизить техногенные нагрузки на окружающую среду. В городе Братске и регионе в результате работы промышленных предприятий образуется ряд многотоннажных отходов, физические свойства и химический состав которых позволяют рассматривать их как сырье высокой степени готовности для производства строительных материалов. В связи с этим задачи по разработке энергоэффетивных строительных материалов с использованием отходов промышленного производства являются актуальными.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной тематики 67.09.91, 67.09.35, 67.09.31, в соответствии с научным направлением “Изучение и решение региональных проблем социально-экономического развития и задач строительного комплекса”, поднаправление “Эффективные строительные материалы на основе местного сырья и отходов промышленности”.
Цель работы: разработка ячеистого стенового материала на основе минерализованных пен из жидкого стекла и технологии его производства.
Задачи работы:
- Обоснование выбора местного техногенного сырья для получения теплоизоляционных материалов на его основе.
- Разработка составов и способа получения минерализованных жидкостекольных смесей и их поризации.
- Изучение физико-химических процессов твердения минерализованных пеностекольных композиций.
- Изучение свойств ячеистых стеновых материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла, разработка технологии их получения, проведение опытно-промышленных испытаний.
Научная новизна:
- установлена селективная последовательность введения и перемешивания компонентов пеностекольной композиции, обеспечивающая требуемую степень поризации смеси, включающая предварительное получение пены с последующим введением жидкого стекла в количестве 55 – 65 % по массе, а затем тонкодисперсных минеральных компонентов при постоянном турбулентном перемешивании;
- установлены условия формирования устойчивой пеностекольной композиции путем вспенивания жидкого стекла с силикатным модулем 2 - 3 и плотностью 1,4 - 1,3 г/см3 и его последующей минерализации до степени 0,37, что позволяет получить максимальную прочность межпоровых перегородок за счет контактного омоноличивания наполнителя жидким стеклом при сохранении требуемой степени поризации и формуемости смеси;
- установлено, что при твердении пеностекольной композиции на основе минирализованного микрокремнеземом жидкого стекла из микрокремнезема с добавкой кремнефтористого натрия и извести при температуре 50-60 0С синтезируются низкоосновные гидросиликаты кальция, гидросиликаты натрия и фтор - гидросиликаты, что обеспечивает получение стеновых материалов с требуемыми прочностными характеристиками и водостойкостью.
Практическая значимость:
- разработаны составы и способ получения теплоизоляционных материалов плотностью 300-700 кг/м3 из вспененного минерализованного жидкого стекла;
- изучены технико-эксплуатационные показатели материалов из вспененного минерализованного жидкого стекла;
- результаты исследований использованы при разработке методики подбора состава, технологического регламента получения теплоизоляционных материалов из вспененного минерализованного жидкого стекла, технических условий ТУ 5767–020-02069295-2003 “Блоки стеновые мелкие из вспененного минерализованного жидкого стекла” и ТУ 5767-019-02069295-2003 “Плиты теплоизоляционные из вспененного минерализованного жидкого стекла”;
- проведена промышленная апробация разработанных предложений по получению теплоизоляционных материалов из вспененного минерализованного жидкого стекла.
На защиту выносятся:
- результаты исследований влияния свойств жидкого стекла, минерализатора и степени минерализации на свойства ячеистых материалов на основе низкократных минерализованных пен из жидкого стекла;
- экспериментальные данные по оптимизации составов теплоизоляционных материалов и способа получения материалов из вспененного минерализованного жидкого стекла;
- результаты исследований основных физико-механических и технико-эксплуатационных свойств материалов из вспененного минерализованного жидкого стекла.
Апробация работы:
Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на XXI-XXII научно-технических конференциях БрГТУ (Братск, 2000-2001г.г.), Научно-технических конференциях студентов и аспирантов “Региональные проблемы социально-экономического развития и задачи строительного комплекса” (Братск, БрГТУ, 2001-2002г.г.), Межрегиональных научно-технических конференциях “Естественные и инженерные науки - развитию регионов“ (Братск, БрГТУ, 2002-2003г.г.), Межрегиональной научно-практической конференции “Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе” (Братск, 2002г.), 57 и 58-й научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2000-2001г.г.), Международных и Всероссийских научно-технических конференциях “Композиционные строительные материалы: Теория и практика”, “Актуальные проблемы современного строительства”, “Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов” (Пенза, ПГАСА, ПДЗ, 2001г.), Всероссийской научно-технической конференции “Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика” (Красноярск, КГАЦМиЗ, 2001г.), Втором научно-техническом семинаре “Нетрадиционные технологии в строительстве”, Научно-технической конференции “Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок” (Томск, ТГАСУ, 2001-2002г.г.), III Международной научно-практической конференции-школы-семинара молодых ученых, аспирантов и докторантов “Современные проблемы строительного материаловедения” (Белгород, БелГТАСМ, 2001г.), Втором Международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов “Молодежь и наука - третье тысячелетие” (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002г.)
Публикации:
Основное содержание работы и ее результаты опубликованы в 15 печатных трудах и защищены патентом. По результатам работы получены 4 положительных решения ФИПС о выдаче патентов.
Диссертационная работа выполнялась с 1999 по 2003 г.г. Экспериментальные работы проводились в лабораториях БрГТУ, ТГАСУ.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору А.И. Кудякову (ТГАСУ), к.т.н., профессору А.А. Зиновьеву (БрГТУ) за оказанную помощь, ценные советы и консультации при выполнении работы, а также д.т.н., профессору Ю.С. Саркисову (ТГАСУ), к.т.н., доценту Н.О. Копанице (ТГАСУ) за помощь при проведении физико-химических исследований.
Объем работы:
Диссертационная работа изложена на 143 страницах основного текста, содержит 39 рисунков, 32 таблицы; состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографии, включающей 132 источника, 10 приложений на 58 страницах. Общий объем работы 201 страница.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы.
Первая глава содержит анализ теоретических предпосылок получения ячеистых материалов для ограждающих конструкций на основе вспененного минерализованного жидкого стекла.
Приоритетным направлением в вопросах повышения энергоэффективности ограждающих конструкций является использование ячеистых материалов. Исследования показали, что среди многообразия ячеистых материалов перспективными являются пенобетоны “сухой минерализации”, разработанные в МИСИ им. В.В. Куйбышева профессором А.П. Меркиным и его коллегами. Характеристики ячеистых материалов в значительной степени обусловлены используемым вяжущим. Значительный потенциал для обеспечения требуемых характеристик ячеистой структуры имеют вяжущие на основе силикатных композиций.
Управление свойствами ячеистых материалов, согласно полиструктурной теории профессора В.И. Соломатова, возможно путем целенаправленного формирования структурных микро- и макроуровней.
С целью выявления особенностей формирования макроструктуры и ее влияния на свойства композитов, полученных вспениванием вяжущего, проведен анализ работ по оптимизации порового пространства, принадлежащих ученым П.А. Ребиндеру, А.П. Меркину, Е.М. Чернышеву, А.Т. Баранову и др. В рамках этого направления изучены вопросы: теория пен и пенообразования, процессы пенообразования в вязких системах (органические и неорганические полимеры), связь свойств пен и структуры материала на их основе, процессы минерализации пен сухими тонкодисперсными компонентами. Отмечено, что на формирование макроструктуры и, следовательно, свойства материала оказывают влияние параметры вспенивания и минерализации, а именно свойства растворов пенообразователей, свойства вспениваемых материалов, режимы пенообразования и минерализации.
Теоретическими исследованиями установлено, что физико-механические свойства ячеистых материалов определяются микроструктурным строением межпоровых перегородок. С целью выявления особенностей формирования микроструктуры композиционных материалов проведен анализ работ В.И. Соломатова, А.Н. Бобрышева, Ю.С. Липатова, касающихся вопросов наполнения полимерной составляющей. Также рассмотрены приемы и методы модификации жидких стекол. Отмечено, что микроструктура композита определяется характеристиками матрицы вяжущего и характером адгезионного контакта “вяжущее - наполнитель”. Наиболее значимыми факторами являются: степень наполнения, характер поверхности наполнителя, активность наполнителя по отношению к вяжущему.
Процессы структурообразования, обеспечивающие комплекс свойств ячеистых материалов, обусловлены характеристиками вяжущего, свойствами наполнителя и режимами твердения. Среди вяжущих на основе силикатных композиций преимуществом жидкого стекла является его способность на стадии приготовления смеси сохранять вязко - пластичное состояние при обычных температурах, в дальнейшем на стадии структурообразования приобретать свойства камня при температуре не более 100 оС. Исследования Тотурбиева Б.Д., Некрасова К.Д., Масленниковой М.Г., Тарасовой А.П. показали, что структурообразование вяжущих на основе силикатных композиций, в том числе жидкого стекла из силикат – глыбы, определяется соотношением SiO2:Na2O:H2O, а также физико-химической природой наполнителя. Кальций- и алюмосодержащие компоненты наполнителей способствуют выделению новообразований, как отмечено в работах Иващенко Ю.Г., Соломатова В.И., характеризующихся высокими прочностными характеристиками и водостойкостью: гидросиликатов кальция, карбосиликатов кальция, карбонатов кальция в форме кальцита, щелочных алюмосиликатов, гидроалюмосиликатов.
Приведенные закономерности структурообразования справедливы для жидкого стекла из силикат - глыбы. Наряду с этим имеется опыт получения жидкого стекла на основе отходов промышленности. На кафедре СМиТ БрГТУ, под руководством профессора Карнаухова Ю.П., разработан способ получения жидкого стекла из отхода кремниевого производства – микрокремнезема. Особенностью жидкого стекла на основе микрокремнезема является широкий диапазон свойств (силикатный модуль 1 – 4 и более, плотность 1,11 – 1,55 г/см3, рН 11,25 – 14,00) и наличие углеродистых примесей, представленных SiC и C. Свойства указанного жидкого стекла позволяют предположить возможность его использования для получения ячеистых стеновых материалов. В качестве наполнителей в указанное жидкое стекло целесообразно предложить многотоннажные отходы промышленности: микрокремнезем, состоящий преимущественно из аморфной двуокиси кремния, и золу-унос, химический состав которой представлен в основном алюмосиликатной составляющей. Особенностью микрокремнезема является его ультрадисперсность, что создает определенные трудности при работе с этим материалом. Однако использование высокодисперсных наполнителей в технологии сухой минерализации пены дает ряд преимуществ.
На основании проведенного анализа выдвинута рабочая гипотеза о возможности получения ячеистого стенового материала путем вспенивания жидкого стекла, его последующей минерализации тонкодисперсными наполнителями и отверждения в низкотемпературном режиме. В соответствии с рабочей гипотезой сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе приведены характеристики сырьевых материалов, используемых в работе, и описание методик исследований.
В работе для изучения и оценки параметров технологических процессов, а также свойств смеси и свойств композитов использованы как стандартные методики, регламентируемые нормативными документами, так и нестандартные методики исследований. Достоверность полученных результатов гарантирована применением испытательного оборудования и средств измерения, прошедших поверку Центром стандартизации и метрологии, требуемым объемом выборки и статистической обработкой с применением современных методов обработки и анализа данных посредством интегрированного статистического пакета STADIA 6.0.
В качестве исходных компонентов использованы как традиционные, так и техногенные сырьевые материалы.
Для получения пеностекольной композиции и в качестве вяжущего использовано натриевое жидкое стекло, полученное путем растворения микрокремнезема в щелочном растворе NаОН. Свойства используемого жидкого стекла: силикатный модуль n=1-5, плотность р=1,2-1,4 г/см3.
Для получения пен из жидкого стекла исследованы водные растворы пенообразователя “Тайга” (ТУ №13-4302007-032-92) на основе смоляных и жирных омыленных кислот и “Морпен” (ТУ №0258-001-01013393-94) на основе триэтаноламина.
В качестве минеральных наполнителей во вспененных жидких стеклах использованы тонкодисперсные отходы: микрокремнезем и зола-унос.
Микрокремнезем (ТУ-5743-048-02495332-96) - отход, образующийся в результате осаждения на четырех этапах (полях) системы газоочистки плавильных печей производства кристаллического кремния. Микрокремнезем характеризуется истинной плотностью 2,0-2,6 г/см3, насыпной плотностью 150-300 кг/м3. Удельная поверхность, по оценке разных исследователей, колеблется 1000-2500 м2/кг. Химический состав микрокремнезема представлен преимущественно двуокисью кремния (70-93%), а также окислами железа, магния, натрия, калия, алюминия и кальция (до 1%) и углеродистыми примесями С и SiC (потери при прокаливании 4-25%). Нестабильность количественных значений SiO2 (V = 11,9 %) и потерь при прокаливании (V = 80,5 %) проб микрокремнезема 1, 2, 3 и 4 полей и различных периодов отбора показывают необходимость оценки влияния указанных отличий на свойства получаемого материала.
Зола - унос - отход, образующийся в результате сжигания твердого топлива и представленный двумя полями. Характеризуется зола-унос истинной плотностью 2,7-2,8 г/см3, насыпной плотностью 1382-1430 кг/м3, удельной поверхностью 390-430 м2/кг. Химический состав золы представлен преимущественно SiO2 (47-56%), Al2O3 (13-20%) и СаО (14-16%), а также окислами железа (7-8%), магния, натрия, калия и серы (не более 4%). Вариативность количественных значений SiO2 (V=12,3%) и Al2O3 (V=25%) проб золы I и II полей различных периодов отбора показывают необходимость оценки влияния указанных отличий на свойства получаемого материала.
В качестве отвердителя жидкого стекла использован кремнефтористый натрий (Na2SiF6) по ТУ 6-08-01-1.
В качестве кальцийсодержащей добавки использована воздушная кальциевая известь по ГОСТ 9179-77*.
В третьей главе приведены исследования структурообразования и физико-механических характеристик минерализованных отвержденных жидких стекол с целью установления условий формирования прочных межпоровых перегородок.
Как установлено теоретическими исследованиями получение композиционных материалов с максимальными прочностными характеристиками осуществимо при условии контактного омоноличивания наполнителя вяжущим. Для обеспечения контактного омоноличивания наполнителя жидким стеклом степень минерализации должна быть максимально возможной при сохранении технологичности смеси. Данную степень минерализации характеризует максимальный Кнас. Максимальный коэффициент насыщения оценивался по критерию однородности перемешивания и сохранения смесью тиксотропных свойств. Ухудшение формуемости смеси при максимальном Кнас, очевидно, связано с переходом жидкого стекла в структурированное состояние. Экспериментально установлено, что максимальный Кнас зависит от вида и дисперсности наполнителя, а также от силикатного модуля и плотности жидкого стекла, что связано с толщиной формирующегося на поверхности наполнителя адсорбционного слоя. При минерализации жидкого стекла микрокремнеземом различных полей вариативность Кнас незначительна и составляет 1,9-5,2 %, при использовании в качестве наполнителя золы-унос различных полей коэффициент вариации составляет 18-27%.
Исследованиями параметров твердения минерализованных микрокремнеземом жидких стекол с добавкой отвердителя установлено, что оптимальный расход отвердителя составляет 10 % от массы жидкого стекла. Время тепловой обработки - не менее 15 часов при температуре 50-60 оС до набора материалом требуемых прочностных характеристик. При увеличении температуры до 80-90 оС, с целью ускорения времени твердения, материал вспучивается, образуется горбушка, даже при постепенном ступенчатом подъеме температуры свыше 60 оС появляются дефекты структуры в виде трещин, связанные с температурным расширением.
Результаты экспериментов по изучению свойств минерализованных микрокремнеземом до максимального Кнас и отвержденных жидких стекол различных силикатных модулей и плотностей показали, что зависимости предела прочности при сжатии и коэффициента размягчения от свойств жидкого стекла носят экстремальный характер. Наибольшие показатели предела прочности при сжатии (4-5 МПа) и коэффициента размягчения (0,85-0,95) при плотности материала порядка 850 кг/м3 получены при использовании жидкого стекла с силикатным модулем 2-3 плотностью 1,4 г/см3. Однако для материалов на основе жидкого стекла с силикатным модулем 3 плотностью 1,4 г/см3 характерны деформации усадки, превышающие допустимые значения. В связи с этим в дальнейших исследованиях для получения ячеистых материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла с требуемыми физико-механическими характеристиками использованы жидкие стекла с силикатным модулем 2-3 плотностью 1,4-1,3 г/см3 соответственно, максимальный Кнас для которых составляет 0,39.
Аналогичным образом изучены свойства минерализованных золой и отвержденных жидких стекол. В дальнейших исследованиях использовано жидкое стекло с силикатным модулем 1 плотностью 1,4 г/см3, на основе которого получены материалы с наибольшим пределом прочности при сжатии (20-25 МПа) при средней плотности материала 1250 – 1300 кг/м3.
Вариативность физико-механических характеристик материалов при использовании в качестве наполнителя микрокремнезема различных полей составляет до 11%, при использовании золы-унос различных полей - до 39%. В связи с этим в дальнейших исследованиях в качестве наполнителя использованы смесь микрокремнезема различных полей, а также зола I и II поля.
В четвертой главе приведены исследования процессов получения и физико-механических характеристик материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла.
Для формирования ячеистой структуры материала изучены закономерности получения пен из жидкого стекла. Был опробован способ получения пен путем совместного перемешивания в высокоскоростном смесителе композиции жидкое стекло – пенообразователь. При использовании пенообразователя «Тайга» пенообразования не наблюдалось. При использовании пенообразователя «Морпен» получены пены кратностью до 9. Отмечено, что в данном случае на кратность пены влияет концентрация пенообразователя, его дозировка, режимы перемешивания, а также свойства жидкого стекла. Установлено, что с уменьшением силикатного модуля и плотности жидкого стекла кратность пены увеличивается. Так, наибольшей пенообразующей способностью обладают низкомодульные жидкие стекла невысоких плотностей. Однако, как установлено ранее, для получения ячеистых материалов с требуемыми физико-механическими характеристиками необходимо использование жидкого стекла с силикатным модулем 2-3 плотностью не менее 1,3 г/см3. Кратность вспенивания указанных жидких стекол не превышает 2, что недостаточно для получения ячеистых материалов требуемой плотности.
В связи с этим был опробован способ двухстадийного получения пен, путем селективного введения и перемешивания компонентов. На первой стадии получают пену из водных растворов пенообразователей. На второй стадии в полученную пену вводят жидкое стекло с требуемыми свойствами, при этом происходит равномерное распределение жидкого стекла по пенным пленкам с сохранением всего объема пены. Степень поризации регулируется путем соотношения объемов пены и жидкого стекла. Указанный способ позволяет получать пеностекольные композиции с необходимой поризацией на основе жидкого стекла, обеспечивающего требуемые механические характеристики материалов.
Исследованиями процесса минерализации пеностекольной композиции установлено, что микрокремнезем и зола-унос по-разному влияют на вспененную композицию. Зола в отличие от микрокремнезема вызывает гашение пены с момента начала минерализации, причем более интенсивно, чем крупнее ее частицы. Увеличение размера частиц сопровождается появлением “ранящего эффекта” пенных пленок, что вызывает гашение части пены, изменение ее дисперсности и однородности. Кроме того, отмечено, что при степени минерализации, соответствующей максимальному Кнас, происходит резкое гашение пены. Это обусловлено процессами перехода жидкого стекла в структурированное состояние. Минерализованная жидкостекольная матрица разрушается от воздействия лопастей смесителя, происходит уплотнение смеси. Установлено, что для получения ячеистой структуры Кнас вспененного жидкого стекла не должен превышать максимального значения равного для исследуемых жидких стекол 0,39.
Для определения степени минерализации вспененного жидкого стекла изучено влияние Кнас на свойства материалов на его основе (рис. 1). Установлено, что материалы на основе вспененного минерализованного до максимального Кнас жидкого стекла имеют плотность больше проектной и невысокие прочностные характеристики, что обусловлено гашением значительной части пены и нарушением формирующихся структурных связей. Такие материалы имеют неоднородную структуру. Получение материалов с оптимальными физико-механическими характеристиками возможно при степени минерализации 0,37 для используемых жидких стекол, что на 5% меньше максимального Кнас. Дальнейшее уменьшение Кнас сопровождается снижением прочностных характеристик при увеличении средней плотности материала, вследствие объемного омоноличивания наполнителя жидким стеклом. Такая композиция склонна к деформациям усадки при тепловой обработке с нарушением структурных связей.
Рис. 1. Влияние степени минерализации на свойства ячеистого
материала на основе минерализованных пен из жидкого стекла
При использовании в качестве наполнителя золы приведенные закономерности справедливы, однако полученные материалы обладают высокими для теплоизоляционных материалов значениями средней плотности (900-1100 кг/м3) и пониженными прочностными характеристиками (менее 1 МПа), поэтому в дальнейшем материал на основе золы не исследовался.
Материалы, полученные на основе минерализованных микрокремнеземом пен из жидкого стекла, отвечают требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам, однако для использования их в качестве конструкционно-теплоизоляционных их механические характеристики недостаточны. В связи с этим было сделано предположение, что введение добавки извести позволит повысить прочностные характеристики материалов за счет образования гидросиликатов кальция. Поисковыми экспериментами было установлено, что повышение прочностных характеристик можно обеспечить введением добавки извести в количестве до 20% от массы жидкого стекла.
Планированным экспериментом по оптимизации составов материалов на основе вспененного минерализованного жидкого стекла оптимизированы дозировки добавки, раствора пенообразователя и свойства используемого жидкого стекла. Установлено, что оптимальная дозировка добавки составляет 10 % от массы жидкого стекла. При этом отмечено, что введение добавки вызывает более интенсивный прирост прочности при использовании жидкого стекла с низким модулем (в диапазоне свойств жидкого стекла: n=2 - 3 р=1,4 - 1,3 г/см3). Введение добавки в указанном количестве позволяет повысить и коэффициент размягчения материалов, более значительно при использовании низкомодульных жидких стекол (с 0,94 до 0,99 для материалов плотностью 600-700 кг/ м3).
Полученные результаты объясняются данными физико-химических исследований. Сравнение рентгенограмм образцов и исходных компонентов (жидкого стекла и микрокремнезема) выявило структурные изменения, связанные с увеличением кристаллической составляющей. В результате идентификации межплоскостных расстояний среди продуктов твердения можно предположить низкоосновные гидросиликаты кальция, фтор-гидросиликаты, гидросиликаты натрия. Отмечено, что дифракционные максимумы имеют большую интенсивность на рентгенограммах образцов на основе жидкого стекла с силикатным модулем 2. Это, вероятно, связано с более интенсивными процессами образования кристаллической фазы, обуславливающей более высокие механические характеристики и водостойкость композитов на основе жидкого стекла с силикатным модулем 2.
При рассмотрении ИК-спектров образцов отмечены полосы поглощения в области 700 – 1200 см-1, характерные для спектров силикатов с Si - O связями. Полосы поглощения в области 1060 – 1070 см-1 свидетельствуют о наличии различно сгруппированных между собой кремнекислородных тетраэдров с высокой степенью полимеризации. Полученные данные согласуются с результатами ИК-спектроскопии композиций на основе жидкого стекла и кремнезем содержащих модификаторов, приведенными в работах Иващенко Ю.Г. Эти данные позволяют судить о процессах растворения SiO2 c поверхности наполнителя с выделением кремнегеля за счет нейтрализации щелочи жидкого стекла и увеличения количества связей Si - O – Si, что способствует появлению более прочных и водостойких новообразований, таких, как гидросиликаты кальция, фтор-гидросиликаты, гидросиликаты натрия.
Данные электронной микрофотографии подтверждают результаты рентгенофазового анализа и ИК-спектроскопии. На фотографии, сделанной с прозрачного шлифа в поляризованном луче света при 150-кратном увеличении, различаются призматические, таблитчатые и сферолитовые микроагрегаты гидросиликатов в цементе пеностекла. Снимки с прозрачных шлифов в поляризованном луче света при 30-кратном увеличении подтверждают наличие микрозернистых агрегатов фтор-гидросиликатов в цементе пеностекла.
Таким образом, можно отметить, что прочностные характеристики и водостойкость материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла, полученных при низкотемпературных режимах, определяются синтезом гидросиликатов кальция, фтор-гидросиликатов, гидросиликатов натрия. Возможность образования подобных соединений в сходных условиях показана исследованиями В.С. Изотова, а именно, взаимодействие гидроксида кальция с реакционно-способным кремнеземом заполнителя (в бетонах при щелочной коррозии реакционно-способного заполнителя) приводит к образованию гелевидной оболочки из щелочных гидросиликатов на зернах заполнителя.
Данные по изучению поровой структуры материала выявили наличие дифференцированной пористости. На макроуровне отмечена равномерная условно-замкнутая пористость, обусловленная процессами пенообразования с размером пор преимущественно 0,1-0,5 мм. Исследование аншлифа материала при 30-кратном увеличении в отраженном свете выявило наличие равномерной закрытой микропористости материала. Таким образом, можно отметить, что для межпоровых перегородок материала характерно наличие микропористости. Вероятно, микропористость материала является результатом обезвоживания кремнегеля.
Результатом проведенных исследований явился дифференцированный подход к выбору характеристик состава в зависимости от назначения получаемого материала (табл. 1). По результатам исследований разработана методика подбора состава для получения ячеистых материалов на основе вспененного минерализованного жидкого стекла. В соответствии с рекомендациями табл. 1 и разработанной методикой подбора состава получены ячеистые материалы и изучены их строительно - эксплуатационные характеристики (табл. 2).
На базе полученных результатов разработаны технические условия ТУ 5767-019-02069295-2003 «Плиты теплоизоляционные из вспененного минерализованного жидкого стекла» и ТУ 5767-020-02069295-2003 «Блоки стеновые мелкие из вспененного минерализованного жидкого стекла».
Таблица 1
Рекомендации по назначению характеристик состава в зависимости от назначения материала
| Свойства жидкого стекла | Расход ПО, % от массы ЖС | Назначение материала | ||||||||
| Конструкционно-теплоизоляционный | Теплоизоляционный | |||||||||
| D700 | D600 | D500 | D400 | D350 | D300 | |||||
| B3,5 | B2,5 | B2 | B2 | B1 | B0,75 | B0,5 | B0,5 | - | ||
| n=2 р=1,4 г/см3 | 3 | Д 10 | Д 0 | - | - | - | - | - | - | - |
| 5 | - | - | - | Д 10 | Д 0 | - | - | - | - | |
| n=2,5 р=1,35 г/см3 | 3 | - | - | Д 10 | - | - | - | - | - | - |
| 6 | - | - | - | - | - | Д 10 | - | - | - | |
| 9 | - | - | - | - | - | - | Д 10 | - | - | |
| n=3 р=1,3 г/см3 | 12 | - | - | - | - | - | - | - | Д 0 | - |
| 15 | - | - | - | - | - | - | - | - | Д 0 | |
Примечание: Д10 - расход добавки 10% от массы жидкого стекла, Д0 – без добавки
Таблица 2
Строительно-эксплуатационные характеристики теплоизоляционных материалов
на основе минерализованных пен из жидкого стекла
| Проектные показатели | Строительно-эксплуатационные характеристики | |||||||||
| марка по средней плотности | класс по прочности на сжатие | Предел прочности при сжатии, МПа | Предел прочности при изгибе, МПа | Морозо-стойкость, циклы | Деформации усадки, мм/м | Тепло-провод-ность, Вт/(моС) | Водо-поглощение, % | Отпуск-ная влаж-ность, % | Паропро-ницае-мость, мг/(м.ч.Па) | Сорбци-онная влаж-ность, % |
| 1 | 2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| D700 | В3,5 | 5,2 | 2,5 | 25 | 0,9 | 0,15 | 31 | 2,0 | 0,14 | 2 |
| В2,5 | 4,1 | 2,2 | 19 | 0,9 | 0,15 | 30 | 2,2 | 0,14 | 2 | |
| D600 | В2 | 2,6 | 2,1 | 17 | 1,0 | 0,13 | 33 | 3,2 | 0,16 | 4 |
| В1 | 2,3 | 1,8 | 15 | 1,0 | 0,13 | 32 | 3,4 | 0,17 | 3 | |
| D500 | B0,75 | 1,2 | 1,5 | - | 1,1 | 0,12 | 22 | 4,5 | 0,20 | 6 |
| D400 | B0,5 | 0,8 | 1,3 | - | 1,2 | 0,10 | 25 | 5,0 | 0,23 | 8 |
| D350 | B0,5 | 0,7 | 0,8 | - | 0,5 | 0,09 | 27 | 7,5 | 0,25 | 9 |
| D300 | - | 0,3 | 0,6 | - | 0,7 | 0,08 | 28 | 8 | 0,26 | 10 |
В пятой главе изложены результаты опытно – промышленных испытаний на базе ОАО “Экологические материалы”, проведенных в соответствии с разработанным технологическим регламентом. Показана технико-экономическая эффективность использования ячеистых материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла в ограждающих конструкциях. Предложен один из вариантов трехслойной конструкции с использованием блоков стеновых с маркой D600 и в качестве утеплителя плит теплоизоляционных D300. Предложенная трехслойная конструкция по технико-экономическим показателям не уступает аналогу из ячеистого бетона плотностью 600 кг/м3 с пенополистирольным утеплителем. Рассмотрены экологические аспекты получения ячеистых материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла. Отмечено, что указанные материалы на 63-69 % состоят из отхода промышленности - микрокремнезема. На разработанные материалы получено заключение Центра Госсанэпиднадзора г. Братска.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
- Показана возможность получения ячеистых материалов для ограждающих конструкций путем вспенивания, минерализации и отверждения при температуре 50-60 оС жидкого стекла из микрокремнезема.
- Выявлено, что требуемые структурные и механические показатели ячеистых материалов обеспечиваются при использовании жидкого стекла из микрокремнезема с силикатным модулем 2-3 и плотностью 1,4-1,3 г/см3 соответственно.
- Экспериментально установлено, что максимальная степень минерализации, лимитируемая формуемостью и обеспечивающая требуемые характеристики межпоровых перегородок, зависит от силикатного модуля и плотности жидкого стекла, а также от свойств наполнителя и составляет при минерализации используемого жидкого стекла микрокремнеземом 0,39.
- Выявлено, что путем селективного введения и перемешивания компонентов возможно получение пен из жидкого стекла с различной степенью поризации.
- Отмечено, что требуемые физико-механические показатели стеновых материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла обеспечиваются степенью минерализации вспененного жидкого стекла равной 0,37.
- С помощью метода математического планирования эксперимента оптимизированы составы ячеистых материалов для ограждающих конструкций с маркой по средней плотности D 300-350, D 400-500 и D600-700.
- Материалы, полученные на основе минерализованных пен из жидкого стекла с добавкой извести в количестве 10% от массы жидкого стекла, являются водостойкими (коэффициент размягчения более 0,8) и имеют прочность до 5 МПа, что обусловлено синтезом низкоосновных гидросиликатов кальция, гидросиликатов натрия и фтор-гидросиликатов
- Разработана технология получения ячеистых стеновых материалов путем вспенивания, минерализации и отверждения жидкого стекла из микрокремнезема.
- Данные лабораторных исследований подтверждены опытно-промышленными испытаниями, проведенными в цехе ОАО “Экологические материалы”. Выпущена опытная партия блоков стеновых с маркой D 600 на основе минерализованных пен из жидкого стекла, при этом технологических затруднений не наблюдалось. Изделия соответствуют требованиям ТУ 5767-020-02069295-2003.
- Материалы, разработанные на основе вспененного минерализованного жидкого стекла, могут быть использованы в малоэтажном строительстве в качестве блоков стеновых по ТУ 5767-020-02069295-2003 и плит теплоизоляционных по ТУ 5767-019-02069295-2003
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Белых С.А., Лебедева Т.А., Трофимова О.В. Теплоизоляционные материалы на основе местных тонкодисперсных отходов // Труды Братского государственного технического университета. - Братск: БрГТУ, 2000. - С.232-233.
- Карнаухов Ю.П., Белых С.А., Лебедева Т.А. Минерализация пены из жидкого стекла тонкодисперсными наполнителями для получения теплоизоляционных материалов // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: Сб. науч. тр. / Под общ. ред. В.В. Стацуры. - Красноярск: ГАЦМиЗ, 2001. - Вып. 7. - С.86-88.
- Белых С.А., Лебедева Т.А. Особенности технологии получения теплоизоляционных материалов из вспененного жидкого стекла // Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов: Сборник материалов III Международной научно-практической конференции. – Пенза, 2001. – С.58-60.
- Белых С.А., Карнаухов Ю.П., Лебедева Т.А. Получение теплоизоляционных материалов из вспененного жидкого стекла // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. Ч.I. - Пенза, 2001.- С.28-30.
- Карнаухов Ю.П., Белых С.А., Лебедева Т.А. Способы получения пен из жидкого стекла для производства теплоизоляционных материалов // Труды Братского государственного технического университета. Т.2. - Братск: БрГТУ, 2001. – С.171-173.
- Карнаухов Ю.П., Белых С.А., Лебедева Т.А. Получение теплоизоляционных материалов различного назначения способом сухой минерализации пены // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы III Международной научно - практической конференции - школы - семинара молодых ученых, аспирантов и докторантов - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. - Ч.I. - С.34-38.
- Карнаухов Ю.П., Белых С.А., Лебедева Т.А. Особенности вспенивания жидкого стекла для производства теплоизоляционных материалов различного назначения // Труды НГАСУ. - Новосибирск: НГАСУ, 2001. - Вып. 4 (15). - С.113-117.
- Карнаухов Ю.П., Белых С.А., Лебедева Т.А. Характеристики пен из жидкого стекла, используемых для производства теплоизоляционных материалов различного назначения // Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов: Сборник материалов III Всероссийской научной конференции. - Пенза, 2001. - С.40-42.
- Карнаухов Ю.П., Белых С.А., Лебедева Т.А. Получение стеновых теплоизоляционных материалов на основе вспененного жидкого стекла // Нетрадиционные технологии в строительстве: Материалы второго международного научно-технического семинара. - Томск: Изд. ТГАСУ, 2001. – С.476-479.
- Лебедева Т.А. Использование крупнотоннажных отходов местной промышленности в производстве теплоизоляционных материалов // Молодежь и наука - третье тысячелетие / YSTM’02: Тез. второго Международного конгресса студентов, молодых ученых и специалистов. - Москва: Профессионал, 2002. - С.36-37.
- Белых С.А., Кудяков А.И., Лебедева Т.А. Управление структурой пен с целью оптимизации свойств ячеистых материалов // Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок: тез. докладов научно-технической конференции - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2002. - С.36.
- Белых С.А., Зиновьев А.А., Лебедева Т.А. Влияние дисперсности наполнителя на физико-механические характеристики композитов на основе вспененного наполненного жидкого стекла // Труды БрГТУ. – Братск: БрГТУ, 2002. – С.183-185.
- Белых С.А., Лебедева Т.А., Черемных Д.А. Сырьевые материалы и их влияние на свойства теплоизоляционных материалов различного назначения. Отчет о НИР. Братский государственный технический университет. - Деп. ВНТИЦ; № ГР 01.2002.08673. Инв. № 02.2002.04409. - 2002. -23 с.
- Лебедева Т.А. Особенности формирования микроструктуры композитов на основе вспененного наполненного жидкого стекла // Труды Братского государственного технического университета. - Братск: ГОУ ВПО “БрГТУ”, 2003. – Т.2. - С.300-303.
- Особенности получения поризованных материалов для ограждающих конструкций из вспененного наполненного жидкого стекла / Карнаухов Ю.П., Белых С.А., Кудяков А.И., Лебедева Т.А. // Известия вузов. Строительство. - 2003. - № 2. - С.59-63.
- Патент РФ № 2209803, МКИ С 04 В 38/10. Способ получения ячеистых строительных материалов / Карнаухов Ю.П., Кудяков А.И., Белых С.А., Лебедева Т.А., Зиновьев А.А. Опубл. БИ. 10.08.2003. № 22.
Формат бумаги 60х84 1/16
Заказ № ___. Тираж 100экз.
_____________________________________________________
Отпечатано в Издательстве БрГТУ
665709, Братск, ул. Макаренко, 40.
