Вплив модифікації структури на теплофізичні властивості силікатних матеріалів неавтоклавного твердіння

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вплив модифікації структури на теплофізичні властивості силікатних матеріалів неавтоклавного твердіння

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Енерго - та ресурсозбереження є актуальною проблемою будівельної галузі. На державному рівні роботи в цьому напрямку визначені законом України про енергозбереження. Збільшення обсягів будівництва, підвищена увага до якості об'єктів, які будуються, вимагають поліпшення характеристик будівельних матеріалів, випуску будівельних матеріалів з новими властивостями, розширення номенклатури продукції. Знову повертається інтерес до місцевих сировинних матеріалів, у тому числі на основі вапна, у зв'язку з подорожчанням цементних в'яжучих.

Скорочення витрат енергії як на стадії виробництва, так і на стадії експлуатації продукції, а також зріст обсягів випуску і підвищення її якості, можуть бути досягнуті шляхом розробки і впровадження сучасних ресурсозберігаючих технологій, які забезпечують виготовлення виробів високої якості з покращеними експлуатаційними властивостями. Використання ефективних стінових виробів у будівництві сучасних будинків обумовить зниження використання дорогих теплоізоляційних матеріалів. Організація виробництва нових технологічних ліній дозволить знизити також собівартість продукції, що в кінцевому варіанті обумовить зниження вартості збудованих будинків.

З урахуванням прогнозних обсягів розвитку житлового будівництва річна потреба в ефективних стінових матеріалах зросте багаторазово. В межах висвітленої науково-технічної проблеми виготовлення з використанням сучасного технологічного обладнання стінових штучних силікатних виробів неавтоклавного твердіння і їх оптимізація за комплексом експлуатаційних показників якості, насамперед теплотехнічних, є перспективним напрямком, який дозволяє скоротити витрати енергії на стадіях як виробництва матеріалів і виробів, так і експлуатації конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі «Будівельні матеріали» Одеської державної академії будівництва й архітектури у відповідності до держбюджетної теми Міністерства освіти і науки України за №0102U000866 державної реєстрації «Силікатні матеріали з покращеними властивостями на основі ресурсо- і енергозберігаючих технологій» (2004-2007 рр.), пріоритетний напрямок «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці та агропромисловому комплексі» та кафедральної теми за №0104U007332 державної реєстрації «Силікатні щільні і пористі матеріали безавтоклавного твердіння з покращеними теплотехнічними властивостями на основі ресурсо- і енергозберігаючих технологій» (2000-2005 рр.) В зазначених роботах автор виконував експериментальні дослідження, математичну обробку даних та підготовку основних висновків та рекомендацій.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення складів і режимів виготовлення модифікованих силікатних матеріалів неавтоклавного твердіння й оптимізація стінових виробів на їхній основі за комплексом критеріїв якості, який включає коефіцієнт теплопровідності.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- Експериментально підтвердити можливість одержання модифікованих силікатних матеріалів на основі активованої сировинної суміші у вигляді шлікеру, які твердіють в умовах тепловологісної обробки.

- Проаналізувати зміну структурно-реологічних властивостей (термінів тужавлення, температури і швидкості гідратації, ефективної в'язкості) сировинної суміші у вигляді шлікеру під впливом вмісту та величини питомої поверхні трепелу і вмісту добавки гіпсу.

- Проаналізувати і кількісно оцінити зміну коефіцієнту теплопровідності під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння у результаті модифікації структури.

- Встановити умови виготовлення стінових полегшених силікатних матеріалів, які можуть класифікуватися як умовно-ефективні за нормованою густиною та нормованим коефіцієнтом теплопровідності.

- Встановити основні фізико-механічні властивості і проаналізувати зміни характеристик модифікованої структури стінових силікатних умовно-ефективних матеріалів.

- Проаналізувати вплив модифікації структури на коефіцієнт теплопровідності з використанням елементів комп'ютерного матеріалознавства.

- Виконати багатокритеріальну оптимізацію складів і режимів виготовлення умовно-ефективних стінових каменів нормованої міцності, водо - та морозостійкості, розробити технологічний регламент виготовлення та провести дослідно-промислову перевірку цих виробів.

Об'єктом дослідження є стінові силікатні полегшені матеріали і вироби неавтоклавного твердіння з покращеними теплофізичними властивостями.

Предметом дослідження є процес виготовлення і закономірності зміни властивостей і модифікації структури стінових силікатних полегшених виробів зниженої енергоємності під впливом зміни величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння.

Методи дослідження. Комплексні дослідження включали натурні і обчислювальні експерименти з використанням планованого багатофакторного експерименту для одержання нелінійних ЕС-моделей. Натурні експерименти і дослідження виконані в ряді наукових лабораторій: визначення фізико-механічних властивостей за стандартними методиками і визначення характеристик структури - на кафедрах БМ і ВБК, хімічні дослідження - на кафедрі хімії і основ екології, теплофізичні дослідження - на кафедрі МГБ ОДАБА; фізико-хімічні (ДТА, електронно мікроскопічний аналіз) - у Національному університеті «Львівська Політехніка».

Побудова і статистичний аналіз експериментально-статистичних моделей виконувався з застосуванням діалогової системи COMPEX і спеціально синтезованих планів (кафедри ПОМ і САПР та ПАТБМ ОДАБА).

Обчислювальні експерименти на ЕС-моделях властивостей і характеристик структури проводилися з застосуванням елементів комп'ютерного матеріалознавства.

Наукова новизна одержаних результатів:

- Встановлено, що активація сировинної суміші у виді шлікеру за рахунок інтенсифікації механічних впливів, вибір оптимальних режимів на стадії виготовлення й послідовність дозування компонентів (вода, в'яжуче, дрібнозернистий заповнювач, добавка гіпсу і добавка СП), а також заміна частини меленого кварцового піску у вапняно-кремнеземистому в'яжучому добавкою трепелу, дозволяє перейти від автоклавної обробки до тепловологісної при Т=85°С і одержати стінові полегшені силікатні вироби з покращеними теплофізичними властивостями для різних марок по міцності при нормованих водо - та морозостійкості.

Отримано деклараційний патент на винахід «Сировинна суміш для одержання модифікованих силікатних матеріалів та спосіб її приготування» UA 64603А, 7 C04B28/20 від 16.02.2004 р., Бюл. №2.

- Проаналізовано зміни властивостей сировинної суміші під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу та вмісту добавки гіпсу. Встановлено, що змінюючи питому поверхню добавки трепелу в залежності від вмісту добавки гіпсу, можна регулювати початок (зміна в 2-4 рази) та кінець (зміна у 1.5-3 рази) тужавлення, час між початком і кінцем тужавлення (зміна у 1.5-2.7 рази), температуру суміші (ДТ=10-20С) і час гідратації (зміна в 1.5-2 рази). З врахуванням взаємодій між питомою поверхнею добавки трепелу і добавкою гіпсу час початку і кінця тужавлення може змінюватися більше, ніж у 6 разів, а час гідратації - у 5 і більше разів.

- Проаналізовано зміну коефіцієнту теплопровідності за рахунок модифікації структури під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння. Так, під впливом величини питомої поверхні добавки трепелу максимальна відносна зміна коефіцієнта теплопровідності встановила 1.6, під впливом режимів твердіння 2 рази, а під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння коефіцієнт теплопровідності змінюється більш, ніж в 3 рази. Встановлено, що величина питомої поверхні добавки трепелу дозволяє регулювати величину коефіцієнта теплопровідності та повинна назначатися з врахуванням інших технологічних параметрів. Так, на складах без гіпсу оптимальною є мала S_пит=350 величина питомої поверхні добавки трепелу, з вмістом гіпсу 2.5% - суміш малої та великої в рівних частках, а з вмістом гіпсу 5% - велика S_пит=500 м²/кг.

- Проаналізована зміна характеристик модифікованої структури під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимами твердіння. Встановлено, що при постійній густині модифікація структури може змінювати коефіцієнт теплопровідності більш, ніж у 1.4 рази. Так, відношення відкритої до закритої пористості та вміст гилебрандиту змінюються більш, ніж в 2 рази, відносний середній розмір капілярів та коефіцієнт однорідності розподілу їх за розмірами - більш ніж в 1.4 рази.

Тобто величина питомої поверхні добавки трепелу та вміст добавки гіпсу, також як і режими твердіння, є ефективними факторами регулювання властивостей і модифікації структури.

- Встановлено оптимальні склади і режими твердіння для виготовлення стінових полегшених силікатних виробів, які можуть класифікуватися як умовно-ефективні за величиною нормованої густини і нормованого коефіцієнта теплопровідності (с<1550 кг/м³, л<0.58 Вт/м·К). Основні фізико-механічні властивості цих виробів змінюються: міцність при стиску від 6.3 до 17.8 МПа, коефіцієнт розм'якшення від 0.8 до 0.96, марки за морозостійкістю F15 та F25. Це дозволяє рекомендувати состави та режими виготовлення умовно-ефективних силікатних виробів різних марок за міцністю при нормованих водо - та морозостійкості.

- Проведено багатокритеріальну оптимізацію складів і режимів твердіння за комплексом експлуатаційних показників якості. За результатами оптимізації рекомендовані режими виготовлення і склади, що забезпечують одержання стінових умовно-ефективних силікатних рядових каменів класів В5, В7.5, В10, В12.5, маркою за морозостійкістю F15 та густиною ?1500 кг/м³ і лицевих каменів класу В10, маркою за морозостійкістю F25 та густиною ?1550 кг/м³, які мають коефіцієнт теплопровідності 0.46ч0.56 Вт/м·К, коефіцієнт розм'якшення >0.82.

Практичне значення одержаних результатів:

- встановлено состави, умови і режими активації сировинної суміші, які забезпечують зниження енергоємності виробництва в результаті переходу від автоклавної обробки силікатних виробів до тепловологісної при Т=82-85°С.

- розроблено оптимальні склади, встановлено режими та розроблено технологічний регламент виготовлення стінових силікатних умовно-ефективних виробів у вигляді лицевих та рядових каменів (190х188х390), які забезпечують ресурсозбереження на стадії експлуатації за рахунок зниження витрат паливно-енергетичних ресурсів на опалення.

- здійснено апробацію науково-експериментальних досліджень на підприємстві «Профбудкомплект» федерації професійних союзів України. Техніко-економічний розрахунок з обліком нормованого (для III зони України і виду стінового матеріалу) термічного опору огороджуючих конструкцій показав, що впровадження умовно-ефективних виробів дозволить знизити витрати на будівництво будинків більше, як на 130 грн. на кубічний метр кладки.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні натурних і обчислювальних експериментів з використанням елементів комп'ютерного матеріалознавства, у відпрацюванні способу приготування сировинної суміші, в дослідженні її структурно-реологічних властивостей, а також властивостей і характеристик структури матеріалу.

В опублікованих зі співавторами роботах здобувачу належить:

- проведення попередніх досліджень по визначенню складів, умов і режимів активації [5, 6, 7];

- розрахунок ЕС-моделей, які описують вплив величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння на властивості сировинної суміші [11];

- порівняльна оцінка впливу величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння на коефіцієнт теплопровідності [8];

- розрахунок вторинних ЕС-моделей, які описують зміну характеристик структури [1, 2, 4] і властивостей (міцності при стиску, густини, коефіцієнта розм'якшення і морозостійкості) [11] в області теплопровідності і густини, нормованих для умовно-ефективних стінових матеріалів;

- аналіз кореляційного зв'язку властивостей з характеристиками структури з використанням елементів комп'ютерного матеріалознавства [1, 8];

- оптимізація складів і режимів твердіння, що забезпечують одержання стінових полегшених силікатних виробів, що можуть бути класифіковані як умовно-ефективні [3, 7, 10].

Апробація дисертаційної роботи. Основні результати досліджень були висвітлені на міжнародних семінарах по моделюванню і оптимізації композитів «Моделювання й оптимізація в матеріалознавстві» (Одеса, 2003-2005 р.), міжнародному симпозіумі «Міжрегіональні проблеми екологічної безпеки» (Суми - Санкт-Петербург, 2003, 2004 р.), ІІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції «Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону» (Львів, 2003 р.), науково-технічній конференції «Математичні моделі процесів у будівництві» (Луганськ, 2004 р.), науково-практичній конференції «Енергозберігаючі технології в будівництві» (Одеса, 2004 р.), 2-му міжнародному симпозіумі «Non-traditional Cement and Concrete» (Brno, Czech Republic, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих робіт, в тому числі 6 - в наукових фахових виданнях, 1 деклараційний патент на винахід, 4 - в матеріалах вітчизняних та міжнародних конференцій, симпозіумів та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація викладена на сторінках 197 і включає 26 рисунків, 25 таблиць, список використаних джерел зі 193 найменувань та 2 додатків.

Зміст роботи

шкілер гіпс стіновий силікатний

В вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету й основні задачі досліджень, розкрито їх наукова новизна, практична значимість отриманих результатів, приведено відомості про апробацію дисертації, дано загальну характеристику роботи, наведено гіпотезу, об'єкт та предмет дослідження, а також висвітлено основні наукові і практичні результати і особистий внесок автора в опублікованих зі співавторами роботах.

У першому розділі проведено аналіз основних аспектів ресурсо- і енергозбереження у виробництві силікатних матеріалів і виробів.

Можливість одержання силікатних матеріалів неавтоклавного твердіння за рахунок активного кремнезему у виді гранульованого скла (П.П. Будніков, Г.М. Матвєєв) і шлаку (В.В. Константінов) була обґрунтована з позицій термодинаміки в роботах В.І. Бабушкіна і О.П. Мчедлова-Петросяна. Твердіння вапняно-кремнеземистих сумішей при Т=85°С і нормальному тиску може бути забезпечено також в умовах середовища насиченого вуглекислим газом за рахунок активації процесу карбонізації (А.А. Байков).

Можливість одержання силікатних матеріалів при нормальній температурі і тиску дозволяє говорити про істотні потенційні резерви виробництва силікатних матеріалів, а значний обсяг силікатних матеріалів у загальному обсязі виробництва стінових виробів свідчить про доцільність подальшого розвитку цього виду продукції.

У виробництві силікатних матеріалів автоклавного твердіння для зниження енергоємності виробництва застосовувалися різні способи активації: хімічна - за рахунок добавок, які містять активні форми кремнезему (В.А. Волженський, К.К. Куатбаєв), і добавок, які підвищують лужність середовища (С.А. Кржемінський і др.); термічна (М.М. Сичов, Б.В. Осін, А.А. Казаков), електроактивація (С.А. Щербак, В.А. Матвієнко); механохімічна активація на стадії помелу (С.І. Федорків), в тому числі таких його видів, як дезінтеграторний (І.А. Хінт), вібропомол і струминний (Л.М. Суліменко), а також механоактивації на стадії приготування в'яжучої речовини (Є.Г. Аввакумов, А.А. Шишкін), в тому числі за роздільною технологією (В.І. Соломатов, І.В. Барабаш).

Аналіз науково-технічної літератури показав, що активація на одній зі стадій одержання матеріалу відбувається за рахунок особливих властивостей новоутворених поверхонь і сприяє реалізації внутрішніх резервів складових компонентів, зокрема за рахунок механохімічних явищ, під якими розуміють «зміну (найчастіше локальну) хімічного і фазового складу твердих тіл, а також їх агрегатного стану під дією механічних впливів великої інтенсивності» (Ю.М. Бутт).

Проведено аналіз літературних джерел з питань впливу складу на структуру і властивості силікатних матеріалів і показано, що дисперсність мінеральних компонентів є ефективним управляючим фактором у формуванні структури і властивостей.

На основі літературного огляду була сформульована наступна гіпотеза:

Враховуючи актуальність проблеми енерго- і ресурсозбереження, а також можливість практичної реалізації механохімічних явищ у виробництві силікатних матеріалів, можна припустити, що активація сировинної суміші у виді шлікеру, включаючи дрібнозернистий заповнювач, забезпечить перехід від автоклавної обробки до тепловологісної, а управління режимами твердіння, вмістом добавки гіпсу, а також величиною питомої поверхні мінеральної добавки, яка вводиться замість частини меленого кварцового піску у вапняно-кремнеземистому в'яжучому і може виконувати роль модифікатора структури, забезпечить можливість регулювання властивостями матеріалу в широких межах і одержання умовно-ефективних стінових силікатних виробів.

В другому розділі наведено загальну блок-схему дослідження і обґрунтовано вибір факторів, рівнів їх варіювання, оптимального плану експерименту, викладено алгоритм і стратегія аналізу результатів натурного й обчислювального експериментів, представлено характеристику вихідних матеріалів і методики дослідження.

В даному дослідженні активація проводилася на стадії приготування сировинної суміші у швидкісному змішувачі-активаторі (І.В. Барабаш). Впровадження у виробництво швидкісних змішувачів-активаторів дозволяє реалізувати резерви будівлі мінеральних речовин, що приводить до появи якісно нових властивостей вапняно-кремнеземистого в'яжучого та сировинної суміші у виді шлікеру на його основі, у тому числі з'являється можливість збільшити ступінь наповнення сировинної суміші твердою фазою без підвищення її водопотреби.

В цьому дослідженні здійснювалось введення аморфного кремнезему у вигляді трепелу взамін меленого кварцового піску у вапняно-кремнеземистому в'яжучому.

Широке використання пористих добавок (трепели, опоки і т.д.) і виготовлення виробів лит'євим способом (В.П. Некрасов, Є. Певзнер і др.) обмежувалося підвищенням водопотреби сумішей і, як результат, зниженням морозостійкості виробів. Компенсування підвищеної водопотреби за рахунок введення мінеральної пористої добавки аморфної структури проводиться за рахунок механохімічної активації на стадії приготування сировинної суміші, яка, окрім основного ефекту у вигляді аморфізації поверхні зерен кристалічного кварцу, має додатковий ефект зниження в'язкості суміші більше, як на порядок.

Підвищена активність компонентів сировинної суміші після обробки в змішувачах-активаторах пов'язана також з вивільненням атомів, іонів і електронів з СаО і SiО₂ і утворенням на поверхні цих кристалічних речовин дефектів і дислокацій. В результаті відбувається процес насичення рідкої фази іонами Са²⁺ і SiО^2-, прискорюється дисоціація молекул води з утворенням активних груп Н⁺ і ОН^- і створюються умови для синтезу гідросилікатів кальцію при низьких температурах. Це в технологічному аспекті дозволило перейти від автоклавної обробки до тепловологісної при Т=80ч85°С.

У вітчизняних дослідженнях неодноразово відзначалася роль мінеральних наповнювачів (В.П. Кривенко, Л.Й. Дворкін) та їх дисперсності (В.С. Дорофєєв, В.М. Вировий) у формуванні структури і властивостей матеріалів на основі мінеральних в'яжучих речовин.

У цьому дослідженні для модифікації структури і регулювання властивостей силікатних матеріалів крім часу початку температурних впливів, тривалості ТВО і вмісту добавки гіпсу змінювали величину питомої поверхні мінеральної добавки у вигляді трепелу, застосованої як складової частини кремнеземного компоненту у вапняно-кремнеземистій в'яжучій речовині.

Для вирішення поставлених задач реалізовано натурний експеримент за двома оптимальними планами: 4-х і 6-ти факторному. Обидва плани відносяться до класу планів, які дозволяють аналізувати залежності «суміш-технологія-властивості» і «суміш-технологія-структура» (Т.В. Ляшенко). Перший 4-х факторний план може розглядатися як складовий елемент основного 6-ти факторного. Перший план описує обмежену призмою область. Трикутні грані призми являють собою сумішні діаграми. Вони також є елементами 2-го шести факторного плану, що розташовуються в об'ємі кубу трьох технологічних факторів.

За сумішними діаграмами у виді трикутників у I-му і в II-му планах експерименту варіювалося співвідношення в суміші х₁, х₂, х₃ частинок трепелу з питомою поверхнею S_пит1=350 м²/кг, S_пит2=425 м²/кг, S_пит3=500м²/кг відповідно. Ці фактори зв'язані лінійною залежністю: х₁+х₂+х₃=1.

Вміст добавки гіпсу (с_г) змінювався на рівнях 0.0, 2.5 і 5.0% від маси сухих компонентів (фактор Х₆). Це дозволило порівнювати склади без гіпсу і з різним його вмістом. Добавка гіпсу вводилася для регулювання швидкості і температури гідратації негідратованого вапна, а також реологічних характеристик сировинної суміші.

По II-му плану, крім перерахованих факторів складу, варіювалися два технологічних фактори, що визначають умови твердіння: тривалість попереднього витримування (ф_п.в.) у нормальних умовах при температурі 20±2°С - від 0 до 12 годин (фактор Х₄) і тривалість тепловологісної обробки (ф_ТВО) - від 10 до 18 годин (фактор Х₅) при температурі ізотермічного витримування 80…85°С і відносній вологості 100% (при В/Т=const).

Сполучення планів дозволило аналізувати закономірності впливу структурно-реологічних властивостей сировинної суміші на властивості затверділих матеріалів інваріантних складів.

За планом I досліджувалися структурно-реологічні властивості сировинної суміші: ефективна в'язкість, температура і час гідратації, час початку і кінця тужавлення і інтервал між початком і кінцем тужавлення.

За планом II досліджувалися характеристики структури і фізико-механічні властивості затверділого матеріалу. Характеристики структури порового простору: пористість загальна, відкрита, закрита, їх співвідношення, відносний середній розмір капілярів і коефіцієнт однорідності їх розміру. Характеристики структури твердої фази: вид, морфологія і кількісний вміст гідросилікатів кальцію (ГСК), втрата маси при прожарюванні (m за ДТА), що непрямо характеризує ступінь закристалізованості ГСК. Фізико-механічні властивості: міцність при стиску, коефіцієнт теплопровідності, водо- і морозостійкість, густина.

У третьому розділі досліджувався вплив величини питомої поверхні добавки трепелу і вмісту добавки гіпсу на структурно-реологічні властивості сировинної суміші.

Показано, що зміною питомої поверхні мінеральної добавки в залежності від вмісту добавки гіпсу можна змінювати початок тужавлення в 2-4 рази, кінець тужавлення в 1.5-3 рази, час між початком і кінцем тужавлення у 1.5-2.7 рази, зменшувати температуру ДТ=10-20С і збільшувати час гідратації в 1.5-2 рази. У всій області факторного простору за рахунок взаємодій між питомою поверхнею добавки трепелу і добавкою гіпсу час початку і кінця тужавлення може змінюватися більше, ніж у 6 разів, а час гідратації - у 5 і більше разів. Отримані закономірності можуть використовуватися для регулювання структурно-реологічних властивостей сировинної суміші з урахуванням необхідних властивостей готового матеріалу.

За другим планом експерименту для порівняльної оцінки впливу факторів складу і технології на властивості і характеристики структури розроблена інформаційно-аналітична блок-схема структурування ЕС-моделей на блоки. Структуровані ЕС-моделі застосовані для кількісної відносної оцінки впливу всіх факторів і їх різних поєднань на властивості матеріалу і характеристики структури останнього.

Звичайно структурування в моделях класу «суміш-технологія-властивість» ведеться по двох категоріях: за фізичною природою і за видом факторного простору. У даному дослідженні використаний розподіл ЕС моделей на блоки A, B, C, D. У результаті з'являється можливість оцінити відносний вплив різних груп факторів на коефіцієнт теплопровідності, а також можливість дослідити зв'язки між коефіцієнтом теплопровідності і характеристиками структури.

На діаграмах ізоповерхні кубів розраховані по основній моделі (1) при оптимальних значеннях величини питомої поверхні добавки трепелу, що забезпечують індивідуальні максимуми (а) і мінімуми (б) коефіцієнта теплопровідності в кожної з сумішних трикутних діаграм /рис. 1/. Під впливом величини питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння відносна зміна коефіцієнта теплопровідності, розрахована по повній моделі, складає дл=л^max/л^min=1.3/0.43=3, що свідчить про високу чутливість коефіцієнта теплопровідності до технологічних впливів.

У блоці A аналізуються моделі, що описують залежність «коефіцієнт теплопровідності - вміст добавки гіпсу - режими твердіння» для фіксованих значень величини питомої поверхні добавки трепелу S₁=350, S₂=425, S₃=500м²/кг. При цих умовах під спільним впливом вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння, коефіцієнт теплопровідності змінюється в 2.9 раза на малій питомій поверхні і в 1.9 раз - на великій питомій поверхні добавки трепелу.

Блок В, у якому виділяються для аналізу три моделі, описує залежність «коефіцієнт теплопровідності - режими твердіння» для фіксованих значень величини питомої поверхні добавки трепелу S₁, S₂, S₃ при фіксованому вмісту добавки гіпсу. Так, від впливом режимів технології коефіцієнт теплопровідності змінюється в 2 рази як на складах без гіпсу так і на складах, що містять 5% добавки гіпсу.

Блок С, у якому аналізується дві моделі, описує зміни для складів без гіпсу і з максимальним вмістом добавки гіпсу під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу і режимів твердіння. На основі аналізу моделей блока С встановлено, що для складів без гіпсу оптимальною є величина питомої поверхні добавки трепелу S₁=350м²/кг, а з гіпсом - S₃=500м²/кг. За рахунок введення добавки гіпсу в кількості 5% коефіцієнт теплопровідності підвищується на малій величині питомої поверхні добавки трепелу (S₁) від 0.43 до 0.63 Вт/м·К, а на великий (S₃) зменшується від 0.61 до 0.52 Вт/м·К.

У блоці D аналізуються моделі, що описують «суміш» для фіксованих на різних рівнях значень режимів твердіння і вмісту добавки гіпсу. Встановлено, що за рахунок зміни величини питомої поверхні добавки трепелу максимальна відносна зміна коефіцієнта теплопровідності складає 1.6.

По оптимальним величинам питомої поверхні добавки трепелу, що забезпечують індивідуальні мінімуми коефіцієнта теплопровідності на кожній з сумішних трикутних діаграм основної моделі л (1), розраховані вторинні моделі зміни фізико-механічних властивостей і характеристик структури.

На основі аналізу зміни коефіцієнту теплопровідності та густини рекомендовані умови для одержання стінових матеріалів з нормованою густиною (с=1450ч1650 кг/м³) і нормованим коефіцієнтом теплопровідності (л=0.46ч0.58 Вт/м·К). Матеріали з такими показниками коефіцієнта теплопровідності і густини можуть класифікуватися як умовно-ефективні.

Основні фізико-механічні властивості цих матеріалів можуть регулюватися: міцність при стиску від 6.3 до 17.8 МПа, коефіцієнт розм'якшення від 0.8 до 0.96, морозостійкість від 15 до 25 циклів. Це дозволило рекомендувати состави та режими виготовлення умовно-ефективних силікатних виробів різних марок за міцністю при нормованих водо - та морозостійкості.

У четвертому розділі аналізувалася зміна характеристик структури під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння та кореляційний зв'язок коефіцієнта теплопровідності з характеристиками структури.

Зміни фізико-механічний властивостей пов'язані з модифікацією структури. Результати фізико-хімічних досліджень показали наявність у структурі гідросилікатів кальцію різних видів, морфології й у різних співвідношеннях. За результатами електронної мікроскопії, диференційно-термічного і рентгенофазового аналізів ідентифіковані тоберморитоподібні гідросилікати кальцію виду: гилебрандит В, його різновид гилебрандит С и фошагіт.

По відповідним залежностям виду «склад-технологія-структура», які розраховані по величинам питомої поверхні добавки трепелу, що забезпечують індивідуальні мінімуми коефіцієнта теплопровідності на кожній з сумішних трикутних діаграм, встановлено, що в області умовно-ефективних матеріалів вміст гилебрандиту С змінюється більше ніж на 30%, гилебрандиту В - більше, ніж на 40%, фошагиту - на 10%, відношення відкритої до закритої пористості відрізняється для різних складів в 3 рази, відносний середній розмір капілярів і коефіцієнт однорідності розподілу їх за розмірами змінюється більше, ніж у 5 разів.

Аналіз кореляційного зв'язку властивостей з характеристиками структури проведений між двома комплексами ЕС-моделей показав, що ступінь кореляції між структурою і фізико-механічними властивостями залежить від наявності або відсутності добавки гіпсу, величин питомої поверхні добавки трепелу і режимів твердіння. Так, кореляційний зв'язок коефіцієнта теплопровідності з вмістом гилебрандиту С₂SH(B) змінюється в межах r {л; С₂SH(B)}= -0.4 ч -0.99; зокрема для складів без гіпсу r {л; С₂SH(B)}= -0.4, для складів, що містять 5% гіпсу r {л; С₂SH(B)}= -0.78, під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння r {л; С₂SH(B)}= -0.51, а в зоні мінімуму теплопровідності r {л; С₂SH(B)}= -0.99. Для одержання достовірних даних кореляційний аналіз здійснено на базі додаткового обчислювального експерименту, проведеного за первинними моделями основного натурного експерименту з використанням елементів комп'ютерного матеріалознавства.

При цьому варто враховувати, що менш основні гідросилікати мають більшу міцність та коефіцієнт теплопровідності. Однак велике значення для коефіцієнта теплопровідності та міцності має також співвідношення між аморфною і кристалічною фазами в цементуючій речовині. Тобто, величина питомої поверхні добавки трепелу, виконуючи роль модифікатора структури, є ефективним фактором, який дозволяє регулювати властивості силікатних матеріалів в широких межах і повинна назначатися з урахуванням режимів твердіння и вмісту добавки гіпсу.

З урахуванням встановленої можливості модифікації структури в широких межах під впливом факторів, які досліджуються, а також з огляду на відомий факт впливу густини на коефіцієнт теплопровідності проведений ізопараметричний аналіз при с=const /рис. 2/. Відносна величина зміни коефіцієнта теплопровідності складає на малій питомій поверхні 2.3, а на великій - 1.6 в умовах, коли зафіксовано тривалість етапу попереднього витримування на оптимальному рівні (за умовою л?0.58 Вт/м·К, ф_п.в.=3 год) за рахунок зміни тривалості тепловологісної обробки (ф_ТВО=10ч18 год) і вмісту добавки гіпсу (с_г=0ч5%).

При постійній густині коефіцієнт теплопровідності може змінюватись на малій питомій поверхні у 1.4 рази, а на великій - у 1.3 рази. При постійній густині значення коефіцієнту кореляції r?0.80 між коефіцієнтом теплопровідності та характеристиками структури на складах без добавки гіпсу, для яких оптимальною є величина S_пит=350м²/кг добавки трепелу отримано: з коефіцієнтом однорідності розподілу капілярів по розмірах (r = -0.99), відносним середнім розміром капілярів (r = 0.88), співвідношенням аморфно-кристалічної фази (r = 0.88) і загальною пористістю (r = -0.83). На складах з 5% добавки гіпсу при оптимальній величині S_пит=500м²/кг добавки трепелу коефіцієнт кореляції, який більше ніж r?0.80, отримано: з відносним середнім розміром капілярів (r = 0.99), загальною пористістю (r = -0.86) і співвідношенням аморфно-кристалічної фази (r = 0.84).

Зміна ступеню кореляційних зв'язків показала, що при рішенні багатокритеріальних оптимізаційних задач раціонально поетапно фіксувати значення оптимальних величин питомої поверхні добавки трепелу з урахуванням вмісту добавки гіпсу та режимів твердіння, що дозволить на основному етапі оптимізації підвисити вірогідність її результатів.

Аналіз результатів ЕС-моделювання коефіцієнта теплопровідності, доповнений аналізом ЕС-моделювання результатів фізико-хімічних досліджень твердої фази і пористості, дозволив сформулювати припущення про причини впливу величини питомої поверхні добавки трепелу, режимів твердіння і вмісту добавки гіпсу на коефіцієнт теплопровідності. Тобто величина питомої поверхні добавки трепелу, також як і режими твердіння, є ефективним фактором регулювання властивостей і модифікації структури.

У п'ятому розділі показано, що застосування ефективних стінових силікатних виробів при необхідному рівні інших експлуатаційних показників якості дозволяє скоротити розходи на теплоізоляцію, що повною мірою відповідає вимогам сучасного будівництва.

Є доцільним оцінити відносний об'єм області припустимих рішень, де виконуються нормативні вимоги до рівня коефіцієнта теплопровідності (л<0.58 Вт/м·К) та густини (с?1550 кг/м³). Об'єм цієї області характеризує можливість регулювання складами та режимами виготовлення, які визначають ресурсо- і енергоємність виробництва. Так, скорочення тривалості ТВО визначає економію енергоресурсів на стадії виробництва і, одночасно, регулює одержання відповідного рівня якості виробів, як умовно-ефективних, що визначає економію матеріальних і енергоресурсів на стадії експлуатації.

В області, яка відмежована поверхнею Щ?5%, забезпечується значення л?0.58 Вт/м·К і с<1550 кг/м³ /рис. 3/.

Відносний розмір цієї області оцінений за узагальнюючим показником Щ. У ході обчислювальних експериментів отримана вторинна модель Щ_д (2), яка розрахована в умовах взаємозв'язку режимів твердіння і вмісту добавки гіпсу {ф_п.в.; ф_ТВО; с_г} за оптимальними для коефіцієнта теплопровідності величинами питомої поверхні добавки трепелу з обліком сумішевих взаємодій {S₁; S₂; S₃} - Щ_б.

Оптимізаційна задача полягала в отриманні виробів, які можуть класифікуватися як умовно-ефективні по нормованій густині і нормованому коефіцієнту теплопровідності для різних заданих значень міцності при нормованих водо - та морозостійкості /рис. 4/.

Розроблено технологічний регламент і різні оптимальні склади та встановлені відповідні режими виготовлення, що забезпечують виробництво стінових умовно-ефективних силікатних каменів (390х190х188): лицевих класу В10 з маркою за морозостійкістю F25, коефіцієнтом розм'якшення k_p>0.82, коефіцієнтом теплопровідності л?0.58Вт/м·К і густині с?1550 кг/м³; рядових класів В5, В7.5, В10, В12.5 з маркою за морозостійкістю F15 коефіцієнтом розм'якшення k_p>0.82, коефіцієнтом теплопровідності л?0.58Вт/м·К і густині с?1500 кг/м³.

Результати досліджень були впроваджені на підприємстві «Профбудкомплект» федерації професійних союзів України обсягом 150 м³.

Техніко-економічний розрахунок з обліком нормованого для III зони України і виду стінового матеріалу термічного опору огороджуючи конструкцій показав, що впровадження цих виробів дозволить знизити витрати на будівництво будинків більше, як на 130 грн. на кожному кубометрі кладки.

Висновки

1. Встановлено, що активація сировинної суміші у виді шлікеру за рахунок інтенсифікації механічних впливів, вибір оптимальних режимів виготовлення й послідовності дозування компонентів (вода, в'яжуче, дрібнозернистий заповнювач, добавка гіпсу і добавка СП), а також заміна частини меленого кварцового піску у вапняно-кремнеземистому в'яжучому добавкою трепелу дозволило: одержувати модифіковані силікатні матеріали на основі активованої сировинної суміші у виді шлікеру; знизити енергоємність виробництва силікатних виробів внаслідок переходу від автоклавної обробки до тепловологісної при Т=85°С; знизити витрати паливно-енергетичних ресурсів на опалення на стадії експлуатації за рахунок одержання стінових умовно-ефективних силікатних матеріалів при нормованих міцності, водо- і морозостійкості.

2. Встановлено зміну властивостей сировинної суміші у вигляді шлікеру за рахунок зміни величини питомої поверхні добавки трепелу і вмісту добавки гіпсу. Показано, що при зміні величини питомої поверхні добавки трепелу в залежності від вмісту добавки гіпсу, можна регулювати початок тужавіння (зміна в 2-4 рази), кінець тужавіння (зміна в 1.5-3 рази), час між початком і кінцем тужавіння (зміна в 1.5-2.7 рази), температуру суміші (ДТ=10-20С), час гідратації (зміна в 1.5-2 рази). З урахуванням взаємовпливу між величиною питомої поверхні добавки трепелу і вмістом добавки гіпсу час початку і кінця тужавіння може змінюватися більше, ніж у 6 разів, а час гідратації - у 5 і більше разів.

3. Проведено аналіз і дана відносна кількісна оцінка зміни коефіцієнта теплопровідності за рахунок модифікації структури під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння. Так, під впливом величини питомої поверхні добавки трепелу максимальна відносна зміна коефіцієнта теплопровідності складає 1.6, під впливом режимів твердіння - 2.0, а під впливом величин питомої поверхні добавки трепелу, вмісту добавки гіпсу і режимів твердіння коефіцієнт теплопровідності змінюється в 3 рази. Встановлено, що величина питомої поверхні добавки трепелу дозволяє регулювати величину коефіцієнта теплопровідності та повинна назначатися з врахуванням інших технологічних параметрів. Так, на складах без гіпсу оптимальною є мала S_пит=350 величина питомої поверхні добавки трепелу, з вмістом гіпсу 2.5% - суміш малої та великої в рівних частках, а з вмістом гіпсу 5% - велика S_пит=500 м²/кг.

4. Встановлено оптимальні склади і режими твердіння для одержання стінових полегшених силікатних виробів з нормованими густиною (с=1450ч1650 кг/м³) і коефіцієнтом теплопровідності (л=0.46ч0.58 Вт/м·К), які класифікуються як умовно-ефективні. Основні фізико-механічні властивості цих виробів змінюються: міцність при стиску від 6.3 до 17.8 МПа, коефіцієнт розм'якшення від 0.8 до 0.96, морозостійкість F15 та F25. Це дозволило рекомендувати состави та режими виготовлення умовно-ефективних силікатних виробів різних марок за міцністю при нормованих водо - та морозостійкості.

5. Встановлено, що при постійній густині коефіцієнт теплопровідності може змінюватися більш ніж у 1.4 рази. Показано, що ці зміни пов'язані з модифікацією структури: відношення відкритої до закритої пористості та вміст гилебрандиту змінюються більш, ніж в 2 рази, відносний середній розмір капілярів і коефіцієнт однорідності розподілу їх за розмірами - більш ніж в 1.4 рази.

6. Встановлено вплив модифікації структури на коефіцієнт теплопровідності с використанням елементів комп'ютерного матеріалознавства. Так, зв'язок коефіцієнту теплопровідності з вмістом гилебрандиту B змінюється в межах r {л; С₂SH(B)}= -0.4 ч -0.99. Зокрема, для складів без гіпсу r = -0.4, для складів, що містять 5% гіпсу r = -0.78, а в зоні мінімуму теплопровідності r = -0.99. Зміна ступеню кореляційних зв'язків показала, що при рішенні багатокритеріальних оптимізаційних задач раціонально поетапно фіксувати значення оптимальних величин питомої поверхні добавки трепелу з урахуванням вмісту добавки гіпсу та режимів твердіння, що дозволить на основному етапі оптимізації підвисити вірогідність її результатів.

7. Проведена багатокритеріальна оптимізація складів і режимів твердіння за комплексом експлуатаційних показників якості. За результатами оптимізації розроблений технологічний регламент та рекомендовані режими виготовлення і склади, що забезпечують одержання стінових умовно-ефективних силікатних рядових каменів В5, В7.5, В10, В12.5, маркою за морозостійкістю F15 та густиною ?1500 кг/м³ і лицевих каменів класу В10, маркою за морозостійкістю F25 та густиною ?1550 кг/м³, які мають коефіцієнт теплопровідності 0.46ч0.56 Вт/м·К та коефіцієнтом розм'якшення >0.82.

Результати досліджень були впроваджені на підприємстві «Профбудкомплект» федерації професійних союзів України обсягом 150 м³. Техніко-економічний розрахунок з обліком нормованого для III зони України і виду стінового матеріалу термічного опору огороджуючих конструкцій показав, що впровадження цього матеріалу дозволить знизити витрати на будівництво будинків і споруд більше, як на 130 грн. на кожному кубометрі кладки.

Основні положення дисертації викладено в роботах

1. Шинкевич Е.С., Луцкин Е.С., Политкин С.И., Бондаренко Г.Г. Возможности и особенности корреляционного анализа по ЭС-моделям в рамках композиционного материаловедения // Зб. наук. пр. ЛНАУ: Технічні науки. - Луганск, 2004. Вип. №40 (52). - С. 271-277.

2. Шинкевич Е.С., Манжос А.В., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Политкин С.И. Моделирование результатов физико-химических исследований при анализе связи состава, структуры и свойств // Вісник ОДАБА. - Одеса, 2003. Вип. 12. - С. 286-293.

3. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Политкин С.И. Модифицированные силикатные композиционные материалы безавтоклавного твердения // Будівельні конструкції. Науково-технічні проблем сучасного залізобетону: Зб. наук. пр., т. 1. - Київ, 2003. - С. 553-558.

4. Шинкевич Е.С., Манжос А.В., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Политкин С.И. Влияние минеральной добавки на структуру и свойства силикатных материалов безавтоклавного твердения // Коммунальное хозяйство городов / Техн. науки и архитектура: науч.-техн. сб. - Киев, 2003. Вып. 53. - С. 338-345.

5. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Гнып О.П. Анализ и оптимизация структуры и свойств активированных силикатных материалов безавтоклавного твердения // Вісник ДонДАБА. Композиційні матеріали для будівництва: Зб. наук. праць. - Макіївка, 2003. Вип. 1 (38). - С. 172-178.

6. Шинкевич Е.С., Сидорова Н.В., Луцкин Е.С., Гнып О.П. Особенности оптимизации составов силикатных композиций с минеральными добавками // Вісник ОДАБА. - Одеса, 2002. Вип. 6. - С. 216-221.

7. Шинкевич О.С., Сидорова Н.В., Луцкін Є.С., Сидоров В.І., Політкін С.І. Деклараційний патент на винахід UA 64603А, 7 C04B28/20 від 16.02.2004 г. Бюл. №2. Сировинна суміш для одержання модифікованих силікатних матеріалів та спосіб її приготування.

8. Шинкевич Е.С., Луцкин Е.С. Методы компьютерного материаловедения при анализе связи теплофизических свойств со структурой в силикатных материалах неавтоклавного твердения // МОК'44. - Одесса, 2005. - С. 13-15.

9. Луцкин Е.С. Возможности использования экспериментально-статистического моделирования для корреляционного анализа между свойствами и параметрами структуры силикатных материалов // МОК'43 - Одесса, 2004. - С. 31.

10. Шинкевич Е.С., Виноградский В.М., Луцкин Е.С., Гнып О.П., Дубов Ю.Г. Энергосберегающие технологии получения теплоэффективных стеновых и облицовочных материалов // Перспективні напрямки проектування житлових та громадянських будівель: зб. наук. праць. Спец. випуск «Енергозберігаючі технології в будівництві та архітектурі». - Київ, КиївЗНДІЕП, 2004. - С. 147-148.

11. E. Shinkevich, E. Lutskin, N. Sidorova, V. Vinogradskiy, S. Politkin Modified non-autoclave hardened siliceous materials. Structure, mixture, properties //Proceedings of the 2^nd International Symposium Non-Traditional Cement & Concrete. - Brno, 2005. - Р. 141-147.

Размещено на Allbest.ru