Пінобетон, армований дискретними поліпропіленовими волокнами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний Вищий Навчальний Заклад

„ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Пінобетон, армований дискретними поліпропіленовими волокнами

Мосьпан Володимир Іванович

Дніпропетровськ 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Дерев'янко Віктор Миколайович, Державний вищий навчальний заклад „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури”, професор кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Офіційні опоненти:

-доктор технічних наук, професор Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри технології будівельних виробів, матеріалів та конструкцій;

-кандидат технічних наук, доцент Мартинов Володимир Іванович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри виробництва будівельних виробів та конструкцій.

Захист відбудеться "06" липня 2011 р. о1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 при Державному вищому навчальному закладі „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного вищого навчального закладу „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий "06" червня 2011 року.

Вчений секретар к спеціалізованої вченої ради С.А. Щерба

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема енергозбереження в Україні в сьогодні потребує негайного та успішного вирішення. В умовах енергетичної кризи високі теплозахисні властивості будівельних матеріалів мають першорядне значення. Так, витрати на утримання будівель та споруд в умовах підвищенні вартості енергоносіїв все більше визначаються витратами на опалення та кондиціювання. З точки зору економічної ефективності, інвестиції у виробництво безавтоклавних ніздрюватих бетонів є найбільш перспективними.

Підвищення термічного опору легких бетонів за рахунок зменшення щільності нижче 400 кг/мі приводить до різкого зниження міцності. Вирішення цієї проблеми може бути досягнуто декількома шляхами, одним з яких є армування дискретними волокнами органічного або мінерального походження. При цьому, в залежності від характеристик волокон та їх кількості, змінюються технологічні властивості формувальної суміші, напівфабрикату та готового продукту. Але до цього часу остаточно не визначено вплив вхідних параметрів дискретних волокон на властивості формувальної суміші та кінцевого продукту. Тому дослідження системи „сировинні матеріали - технологія - структура - пінобетон” є досить актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках завдань комплексної Державної програми енергозбереження України, а також Державної цільової програми „Розвиток виробництва ніздрюватобетонних виробів та їх застосування в будівництві України на 2005-2011 роки”, яка затверджена Кабінетом Міністрів України (постанова №684 від 26 травня 2004 року), науково-дослідних робіт „Розробка енергозберігаючих технологій будівельних матеріалів та виробів на основі вторинних матеріальних ресурсів”, реєстраційний номер 0106U002023, 2006 - 2009 р, рівень участі дисертанта - виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розвиток теоретичних основ розробки пінобетонів низької густини з підвищеними міцнісними властивостями за рахунок створення необхідної структури при введенні в склад компонентів дискретних волокон.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- провести аналіз літературних та технічних джерел з приводу використання пінобетонних виробів та можливості їх удосконалення;

- розробити та модифікувати склад піноутворювача для поризації бетонів на основі мінеральних в'яжучих з високим рівнем рН;

- визначити вплив параметрів дискретних волокон на реологічні властивості формувальної суміші та структури і властивості армованого пінобетону;

- розробити технологію виробництва теплоізоляційного пінобетону, армованого дискретними поліпропіленовими волокнами;

- провести дослідно-промислові випробування розроблених складів пінобетону.

Об'єкт дослідження - процеси структуроутворення дисперсно-армованих ніздрюватих бетонів та вплив дискретних поліпропіленових волокон на їх властивості.

Предмет дослідження - пінобетон на меленому піску та відходах пиляння граніту, армований дискретними поліпропіленовими волокнами органічного походження.

Методи дослідження - Експериментальні дослідження виконані згідно нормативних документів: ДСТУ БВ.2.7-23-95 „Будівельні матеріали. Будівельні розчини. Загальні технічні вимоги”, ДСТУ БВ.2.7-45-96 „Бетон ніздрюватий”, ДСТУ Б.В.2.7-7-94 „Вироби бетонні, стінові. Технічні вимоги”, ДСТУ Б.В.2.7-18-95 „Бетони легкі. Загальні технічні умови”.

Розрахунки та оптимізацію складів пінобетонів проводили на основі експериментальних досліджень, виконаних із застосуванням сучасних методів планування експерименту.

Для визначення складу вхідних матеріалів та новоутворень використовували рентгенофазовий, диференційно-термічний, електронно-мікроскопічний методи аналізів, виконаних за допомогою ДРОН-2, деріватографа системи А. Едрей, Ф. Паулік і Н. Паулік, електронного мікроскопа „Dgeol - 25JS”. Для розшифровки результатів рентгенофазового та диференційно-термічного аналізів використані літературні дані.

Наукова новизна одержаних результатів:

- встановлено залежність підвищення стійкості піни із піноутворювача ПБ-2000 за рахунок введення колоїдного стабілізатора карбоксиметилцелюлози (Na-КМЦ) та рідкого скла, які підвищують в'язкість розчину міжплівкового простору та сприяють закупорці каналів Плато, що сприяє зниженню швидкості стікання рідини до 10 % / хв. та підвищенню стійкості піни з 5 до 35,5 хв. При цьому оптимальна концентрація Na-КМЦ складає 1%, а рідкого скла - 1,5%;

- розвинуті теоретичні уявлення про механізм впливу дискретних поліпропіленових волокон на процес структуроутворення пінобетону. Введення в піномасу волокон довжиною від 5 до 30 мм в кількості 0,1-0,3% створює армуючий каркас, який знижує усадочні явища при формуванні виробів та надає структурі загальні риси з волокнистими матеріалами, які мають рівномірнорозподілену пористість, а також схожість із зернистими матеріалами, які мають високу зернову пористість;

- вперше встановлено, що при заміні молотого піску відходами пиляння граніту міцність дисперсно-армованого пінобетону зростає на 19,3-26,7% (1,1-1,2 МПа) за рахунок підвищення поверхневої енергії внаслідок штучного руйнування граніту та збільшення питомої поверхні в 12,5 разів;

- теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість підвищення фізико-механічних властивостей пінобетону за рахунок армування дискретними поліпропіленовими волокнами та модифікації піноутворювача. Підвищення міцності на ранніх термінах твердіння до 0,6 МПа пов'язано зі структуруванням суміші фібровими включеннями, збільшенням внутрішнього тертя та обмеженим переміщенням компонентів матриці в присутності волокон. Підвищення показників міцності на пізніх термінах є результатом інтенсифікації гідратаційних процесів при твердінні цементного каменю та збільшення твердої фази за рахунок введення волокон.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено склади пінобетону з добавкою тонкомолотого піску та відходів пиляння граніту;

- розроблено склад комплексного піноутворювача на основі ПБ - 2000 з наступними характеристиками: піноутворююча здатність 20, стійкість 35,5 хв., швидкість стікання рідини з піни 10 % / хв.;

- розроблено склади пінобетону, що містять поліпропіленові волокна різної довжини для теплоізоляційних матеріалів: вміст портландцементу - 370,6 кг., піску - 58,6 кг., вміст волокна довжиною 5-30 мм - 0,1% (від маси цементу), вміст добавки пластифікатора - 1% (від маси цементу);

- розроблена схема подачі та дозування поліпропіленових волокон для виробництва теплоізоляційних виробів;

- результати дисертаційних досліджень використані при виготовленні дослідно-промислової партії теплоізоляційних виробів.

Особистий внесок здобувача в наукові праці, опубліковані у співавторстві:

- аналіз і узагальнення раніше проведених досліджень з технології виробництва пінобетонних теплоізоляційних матеріалів [1,2];

- теоретичне обгрунтування та експериментальне підтвердження механізму підвищення міцності і зниження щільності теплоізоляційного матеріалу ніздрюватої структури для ізоляції за рахунок введення технічних пін і поліпропіленових волокон [4,8,9];

- проведення експериментальних досліджень, обробка отриманих результатів і їх аналітичне обгрунтування [3,7];

- дослідження технологічного процесу формування виробів [5,6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях: міжвузівській науково-практичній конференції „Ресурсосберегающие технологии бетонов в транспортном и гидротехническом строительстве” (м. Дніпропетровськ, 1995р); II, III міжнародних симпозіумах „Безпека життєдіяльності в XXI столітті” (м. Дніпропетровськ, 2002р., м. Хургада (Єгипет), 2003р.); на наукових семінарах та засіданнях кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Публікації. Результати досліджень дисертаційної роботи опубліковані в 9 друкованих працях, зокрема 1 монографія, 6 публікацій у збірниках наукових праць, затверджених ВАК України, , 2 тези доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг дисертації складає 172 сторінки, із них: 156 сторінок основного тексту, 47 рисунків, 19 таблиць, список використаних джерел із 107 найменувань на 10 сторінках і додатки на 6 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і завданням роботи, об'єкт і предмет дослідження, найбільш важливі положення, які лягли в основу наукових досліджень і практичних розробок, показано наукову новизну роботи, визначені практична цінність результатів та особистий внесок здобувача.

У першому розділі дисертаційної роботи виконано огляд літературних джерел, що присвячені теоретичним і експериментальним дослідженням у галузі застосування теплоізоляційних матеріалів низької густини, різних способів виробництва та армування ніздрюватих бетонів. Цим питанням присвячені роботи П.А. Ребіндера, Д.І. Гладкова, Ю.П. Горлова, Л.В. Моргуна, Г.П. Сахарова, Г.К. Воробйова, Д.В. Домбровського, Н.П. Круглякова, І.Т. Кудряшова, В.П. Куприянова, Е.П. Нікіфорова, Ф.Н. Рабіновича, Л.Д. Шахової та інших.

На стадії проектування становить інтерес оцінка прийнятих рішень для забезпечення у новому матеріалі властивостей, закладених в основному завданні дисертаційної роботи. Як показує аналіз досліджень способів виробництва ніздрюватих бетонів, на сучасному етапі має перевагу методика виробництва пінобетонних виробів, дисперсно-армованих поліпропіленовими волокнами.

Пінобетонна технологія потребує точного дотримання регламенту виробництва, врахування взаємозв'язку та впливу багатофакторного процесу кожного етапу виготовлення пінобетонної суміші на її властивості та фізико-технічні властивості пінобетону. Існуючі недоліки технології виробництва пінобетону взагалі обумовлені властивостями технічної піни та піноутворювача, а також недосконалістю існуючих технологічних прийомів, які використовуються при виробництві пінобетону.

Основним завданням підвищення експлуатаційних властивостей ніздрюватих бетонів, на думку вчених, є зниження середньої густини з метою підвищення ефективності його теплозахисних властивостей. Одержання такого ніздрюватого бетону може бути досягнено при використанні в'яжучих низької водопотреби, модифікуючих добавок, комплексного пороутворювача та особливих технологічних прийомів.

Одним із основних питань якості теплоізоляційного пінобетону є зниження його усадки, яка обумовлює тріщиноутворення. Причиною тріщиноутворення є градієнт вологості по товщині виробу, багатокомпонентність складу, нестабільність процесу поризації, значна усадка при твердінні та експлуатації, а також доволі низька міцність при стисканні, порівнюючи з автоклавним пінобетоном.

Питання усадки та тріщиноутворення в теплоізоляційному пінобетоні знімаються при його армуванні. Для поліпшення якості ніздрюватого бетону необхідно виконати дослідження щодо використання дисперсно-армуючих волокнистих матеріалів. Ці матеріали можуть бути як природнього - азбест, так і штучного походження - скловолокно, мінеральна вата та інші. Сьогодні використовуються в основному, три види армуючих волокнистих матеріалів: волокна (фібри) у вигляді коротких відрізків тонкого сталевого дроту, мінеральні волокна та волокна органічного походження. Питання армування будівельних матеріалів волокнами в нашій країні були вперше досліджені О. К. Буровим. Аналіз праць в області технології армування бетонів показує, що в цьому напрямку ще не всі питання одержали остаточне вирішення. Багато технологічних методів знаходяться у стані розвитку. Разом з тим освоєння існуючих технологій поряд з їх удосконаленням буде сприяти більш широкому впровадженню дисперсно-армованих бетонів в практиці будівництва. На основі проведеного аналізу сформульовані мета і завдання дослідження.

У другому розділі наведені основні характеристики сировини та методи досліджень. Для вирішення проблеми згідно з метою та поставленими завданнями була розроблена методологія досліджень та схема проведення експериментів.

На основі цієї схеми були запропоновані методики досліджень, сутність яких полягає в визначенні доцільності дисперсного армування ніздрюватого пінобетону та модифікації піноутворювача. Для цього були проведені дослідження властивостей піни та піноцементної суміші, також властивостей неармованих розчинів, вплив параметрів волокон на структурні та фізико-механічні властивості цементного каменю. Планування експериментів проводилась за допомогою симплекс-решітчатого методу та ПФЕ- повнофакторних планів. Експериментальні дослідження фізико-механічних властивостей композицій виконували за стандартними та загальновідомими методиками.

У роботі використовувалися наступні матеріали:

- цементи Криворізького, Кам'янець-Подільського, Дніпродзержинського заводів, виготовлених згідно з ДСТУ БВ.2.7-76-96, ДСТУ БВ.2.7-85-99. Мінералогічний склад цементу: C3S 50-56%; С2S 18-25%; С3А 6-8%; С4АF от 12-14%;

- як кремнеземистий компонент застосовували дніпровський річний пісок, що задовольняє ДСТУ БВ.11-55-97, Мкр=1,38. У лабораторних дослідженнях пісок піддавався помолу до питомої поверхні Sпит = 1000-1200 =см2/г, що визначалась за допомогою прилада ПСХ-2. В якості заміни кремнеземистого компонента на другому етапі дослідження використали відходи пиляння граніту. Питома поверхня відходів (Sпит=7500 см2/г). За допомогою седиментаційного аналізу були визначені розміри частинок пиляння граніту та відносний вміст частинок різних розмірів за швидкістю седиментації. На рис.1(а, б) представлені інтегральна та диференціальна криві розподілу зернового складу відходів пиляння граніту;

- піноутворювачі: ПБ-2000, «Бар'єр», Неопор, Морпен, СДО;

- для модифікації піноутворювачів використовувалися: натрієва сіль карбоксиметилцелюлози (Na-КМЦ) згідно ДСТУ 41.057-2003 та скло рідке натрієве, згідно ДСТУ 43.15-2004.



Рис. 1 Графіки розподілу зернового складу відходів пиляння граніту: а) Інтегральна крива;б) Диференціальна крива

В якості дисперсно-армуючого волокна використовувалася ППВ (фібра) -поліпропіленове волокно довжиною від 2 до 30 мм, діаметром 5-50 мкм, щільністю 900-1000 кг/мі, з модулем пружності Е=3,5-8 МПаЧ10І, відносним видовженням при розтягу - 8%. Волокна ППВ мають санітарно-гігієнічний висновок, допуск до реалізації та використання на території України (ДСТУ 2.7.94-2000).

Визначення кратності, дисперсності, стійкості та фізико-технічних властивостей пінобетону виконані згідно нормативних документів: ДСТУ БВ.2.7-23-95„Будівельні матеріали. Будівельні розчини. Загальні технічні вимоги”; ДСТУ БВ.2.7 - 45-96 „Бетон ніздрюватий”.

Теплопровідність пінобетону для різної вологості визначалась на лабораторному приладі, розробленому в лабораторії фізико-хімічних досліджень, в основу якого покладено порівняльний метод та принцип стаціонарного теплового потоку.

Визначення вологості пінобетону на виробництві та в лабораторних умовах проводилось із застосуванням швидкісного способу, в якому використовується принцип зміни електропровідності капілярно-пористих матеріалів в результаті електроосмосу.

Структуру пінобетону досліджували за допомогою електронного скануючого мікроскопу CAМЕСА (Франція). Склад сировинних, вихідних матеріалів та новоутворень досліджували рентгенофазовим, диференційно-термічним, електронно-мікроскопічним методами за допомогою ДРОН-2, деріватографа системи А. Едрей, Ф. Паулік і Н. Паулік, електронного мікроскопу „Dgeol - 25JS”. Для розшифровки результатів рентгенофазового та диференційно-термічного аналізів використані літературні дані.

Третій розділ присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням модифікації піноутворювача, його властивостей та складу, а також складу та властивостей матриці.

На процес піноутворення та якість отриманої піни впливають багато фізико-хімічних, фізико-технічних та інших факторів, які не завжди підлягають обліку, і тому не дозволяють математично описати технологічні процеси. Умови проведення конкретного технологічного процесу або експерименту суттєво впливають на процес піноутворення. За основу досліджень піноутворювачів для виробництва ніздрюватих матеріалів були використані праці академіка П.А. Ребіндера та його наукової школи з поверхнево-активних речовин, дисперсних систем та адсорбції дрібних часток на поверхні розподілу твердої, рідкої та газоутворюючої фаз. Основною причиною недостатньо широкого використання вітчизняних піноутворювачів є низька стабільність піни, яка залежить від багатьох фізико-технічних, технологічних та інших факторів. У зв'язку з цим виникла необхідність в цілеспрямованих дослідженнях з пошуку нових ефективних піноутворювачів.

За базові були обрані наступні піноутворювачі: Неопор, ПБ-2000, Морпен, СДО, «Бар'єр». Першою була визначена одна із основних характеристик піни - кратність (рис.2).



Рис. 2 Залежність кратності піни від виду та концентрації піноутворювача: 1- Бар'єр; 2 - Морпен; 3 - Неопор; 4 -ПБ-2000; 5 - СДО

Стійкість піни - одна з найважливіших характеристик, яка грає основну роль при створенні піноматеріалів. Частина піни механічно руйнується при змішуванні з розчином, подальше руйнування проходить за рахунок відсмоктування рідини з піни, а також за рахунок стікання рідини по каналам Плато-Гіббса. Аналіз властивостей виявив, що піноутворювачі Бар'єр, ПБ-2000 та Неопор мають досить високу стійкість піни. Але Неопор має високу вартість, а піноутворювачі на основі б-олефінсульфанатів характеризуються низькою стійкістю в лужному середовищі. Тому однією із задач дисертаційної роботи була спроба створення комплексного піноутворювача на основі піноутворювачів Бар'єр та ПБ-2000 шляхом модифікування спеціальними добавками. Їх дія пов'язана з збільшенням в'язкості суміші та уповільненні стікання рідини із пін за рахунок введення молекул стабілізатора в “частокіл” молекул піноутворювача в плівках піни та їх з'єднання в міцні сполучення.

Як стабілізатор піни були запропоновані наступні речовини: натрієва сіль карбоксиметилцелюлози, скло рідке натрієве та гіпсове в'яжуче. Наступним етапом були дослідження модифікації піни колоїдним розчином Na-КМЦ. Зміна констант стійкості показує, що введення Na-КМЦ в оптимальній кількості 1,2-1,5% дозволяє збільшити час початку стікання рідини з 2 до 10 хвилин, рН середовища коливається в межах 7-7,5. Модифікація синтетичного піноутворювача ПБ-2000 дозволила підвищити рН до 11-11,5, кратність до 18-20 (табл. 2) та показник стійкості в цементному тісті довести до 0,91.

Таблиця 1 Властивості піни залежно від складу піноутворювача

Найменування	Склад піноутворювача
	1%	1,5 %
	Кратність,	Стійкість, С, хв	Щільність, , кг/м3	Кратність,	Стійкість, С, хв	Щільність, , кг/м3
ПБ-2000	16	3	48,5	20	10	45,7
Бар'єр	15,5	3	48,9	18	6	47,7

Теоретичні дослідження впливу модифікаторів на властивості піноутворювачів показали залежність стійкості піни від рН середовища. На основі порівняння механічних характеристик піноутворювачів та пінобетонних виробів, а також у зв'язку з помірною ціною у порівнянні з іншими, для подальших досліджень та розробки складів пінобетону було прийнято піноутворювач ПБ-2000.

Експериментальні дослідження визначення оптимального складу комплексного піноутворювача проводились на основі симплекс-решітчатого методу планування проведення серії експериментів (табл.3). В результаті них підібрано оптимальний склад компонентів для виготовлення піни; % по масі: ПБ-2000 - 0,84%; рідке скло - 3,36%; КМЦ - 1,05%.

Таблиця 2 Матриця планування, та відгуки

№ експерименту	ПБ-2000, % Х1	Рідке скло, % Х2	КМЦ, % Х3	Кратність	Стійкість, хв	с0, кг/м3
1	3,15	1,47	2,73	21	15	50
2	0,84	3,36	1,05	24	15	42,92
3	0,84	1,47	2,73	20	16	52,4
4	1,68	1,47	0,84	22	17	46,66
5	1,155	0,945	1,05	22	20	48,36
6	1,155	1,47	0,84	23	16	49,41
7	0,77	0,624	0,63	24	20	51,25

Згідно з отриманих даних було визначено, що склад з найбільшою кратністю знаходиться в наступних межах відсоткового складу компонентів суміші: ПБ-2000 - 1,72-2,22%; рідке скло - 2,22-2,52% та КМЦ - 0-1,18%, а максимальна кратність при складі: ПБ-2000 - 2,016%, рідке скло - 2,184% и КМЦ - 0%, що відповідає кратності - 24,184 (рис.3).

Рис. 3 Вплив вихідних компонентів: а) на кратність піни, б) стійкість піни

Суміші з найбільшою стійкістю знаходяться в наступних межах відсоткового складу компонентів суміші: ПБ-2000 - 1,41-2,57%; рідке скло - 1,5-2,26% і КМЦ - 0-1,18%.

Головними критеріями при виборі межевих показників компонентів є щільність, кратність, стійкість. Оптимальний склад компонентів комплексного піноутворювача: ПБ 2000 - 1,5 %; КМЦ - 1%;рідке скло -1,7%; вода - 95,8%.

Наступним етапом розробки складу пінобетону є введеня меленого піску в якості активного кремнеземистого кoмпонента в склад ніздрюватобетонної суміші та вдосконалення технології виробництва. Помел частини піску збільшує його питому поверхню, що веде до збільшення поверхні схоплювання, завдяки чому зменшується кількість в'яжучого в складі розчину, не впливаючи на міцність виробів.

Рис. 4 Мікроструктура пінобетону з додаванням 15% меленого піску: а) злом зразку; б) поверхня зразку

Як заміну кремнеземистому компоненту на другому етапі досліджень було використано відходи пиляння граніту. В цих відходах питома поверхня дорівнює Sпит = 7500 смІ / г, а також вони мають більшу активність за рахунок руйнування структурних зв'язків під час пиляння. За допомогою седиментаційного аналізу був визначений гранулометричний склад відходів пиляння граніту.

Пінобетонна суміш виготовлялась за двостадійною технологією: приготування цементно-піщаної суміші, введення піни, перемішування до однорідної маси. Структура пінобетону з 10-15% додаванням молотого піску відрізняється дрібнозернистою структурою з рівномірно розподіленими порами по об'єму(рис. 4).

Після досліджень та аналізу отриманих результатів для подальших досліджень використовували наступний склад пінобетону (із розрахунку на 1 м3 пінобетонної суміші): цемент - 370,6 кг; пісок - 58,6 кг; вода - 140,6 л; об'єм введеної піни - 1145 л. Щільність зразків в сухому стані досягала 400-425 кг/м3, міцність при стиску 0,75 МПа.

У четвертому розділі наведені результати досліджень впливу армування пінобетону дисперсними волокнами на пінобетонні вироби, а також визначення оптимального складу пінобетонної суміші та властивостей виробів.

Результати проведених досліджень підтверджують, що армування поризованих бетонів є одним із ефективних напрямків підвищення їх фізико-механічних характеристик.

Синтетичні волокна мають ряд переваг перед металевою арматурою. Їх низька щільність забезпечує зниження щільності пінобетонів, а гнучка структура не дає з'являтися тріщинам в матеріалі, підвищуючи його міцність. Введення таких волокон в пінобетонні суміші дозволяє в 2…2,5 рази збільшити міцність при вигині, до 1,5 разів - міцність при стиску, в 7…9 разів - ударостійкість ніздрюватого бетону. Поліпшення порової структури матеріалу в результаті дисперсного армування сприяє зниженню водопоглинання та капілярного підсоса, що забезпечує підвищення експлуатаційних характеристик виробів та конструкцій. Морозостійкість ніздрюватого фібробетону досягає 75…100 циклів. Дискретне армування знижує вірогідність появи та розвитку усадочних тріщин в процесі твердіння та експлуатації матеріалу.

Для армування виробів при дослідженнях використовувалися відходи виробництва ЗАТ «Харьковхімволокно» - некондиційне поліетиленове, полікапроамідне, поліпропіленове, поліамідне, комплексне волокно. Вміст дисперсної арматури складає 1 % від маси в'яжучого, щільність волокон від 0,85 до 1,14 г/см3, діаметр волокна від 0,001 до 0,25 мм.

Найбільш низька усадка спостерігалася у зразків з поліпропіленовими волокнами діаметром 0,25 мм та поліамідним волокном діаметром 0,001 мм довжиною 10 мм, які створюють структурний каркас і внаслідок цього уникаємо усадки (рис.5).

Рис. 5 Залежність усадки зразків від виду волокна: 1 - поліетиленове (d=0,25 мм); 2 - поліетиленове (d=0,6 мм); 3 - полікапроамідне; 4 - комплексні нитки; 5 - поліпропіленове; 6 - поліамідне; 7- без волокон

Проведений аналіз дозволяє зробити висновок, що найбільш ефективним дисперсно-армуючим волокном при виробництві пінобетону є поліпропіленове, яке може використовуватися для всіх типів цементних розчинів, для запобігання утворення деформаційних тріщин, що виникають за рахунок механічної дії або усадки. Підвищення міцнісних характеристик пінобетону досліджувалося на зразках, дисперсно-армованих поліпропіленовими волокнами різної довжини. Основними параметрами вибору складу є максимальні міцнісні характеристики при досягненні мінімальної щільності та теплопровідності.

Рис. 6 Залежність міцності зразків від виду армуючого волокна: 1 - поліетиленове (d=0,25); 2 - поліетиленове (d=0,6); 3 - полікапроамідне; 4 - комплексні нитки; 5 - поліпропіленове; 6 - поліамідне; 7- без армуючих волокон

Після статичної обробки результатів досліджень були визначені коефіцієнти впливу рівняння регресії з кожної із властивостей: щільність, пористість, міцність при стиску та згині, коефіцієнт теплопровідності.

Побудовані діаграми взаємного впливу компонентів. Максимальна міцність при щільності дисперсно-армованого пінобетону 400 кг/м3 дорівнює 1,12 МПа і досягається при введенні в склад пінобетонної суміші поліпропіленових волокон довжиною від 5 до 30 мм у кількості 0,1-0,3% від маси в'яжучого.

Рис. 7 Вплив вмісту компонентів на щільність пінобетону в сухому стані: а) довжини і процентного вмісту волокон, б) об'єму введеної піни та довжини волокон

Волокна рівномірно розподіляються по всьому об'єму пінобетонної суміші, що помітно стабілізує процес її поризації (рис.8).



Рис. 8 Структура пінобетону, армованого поліпропіленовим волокном

Досліджені фактори впливу армуючих волокон на реологічні властивості пінобетонної суміші.

Дисперсно-армований пінобетон має високу міцність, пружність та тріщіностійкість, які досягаються за рахунок дисперсного армування мінеральної матриці високоміцними пружними волокнами. Обов'язковою вимогою для створення дисперсно-армованого пінобетону високої якості є рівномірний розподіл волокон по всьому перерізу матеріалу.

За результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблено оптимальний склад компонентів для виготовлення теплоізоляційного дисперсно-армованого пінобетону щільністю 400 кг/м3.

У п'ятому розділі наведено результати дослідно-промислових випробувань дисперсно-армованих пінобетонних блоків.

Для перевірки і підтвердження теоретичних та експериментальних досліджень на Новомосковському заводі залізобетонних конструкцій і електро-технічних виробів був здійснений випуск пробної партії продукції пі-нобетонних блоків, армованих дискретними поліпропіленовими волокнами.

За технологічною схемою (вилевна технологія виробництва) сировинні матеріали надходили до місця дозування. Там вони дозувалися і відправлялися на наступний етап виробництва. Одночасно, але в окремих місцях, відбувається виготовлення технічної піни та цементно-піщаної суміші. Після цього відбувається спільне змішування технічної піни та цементно-піщаної суміші. До ретельно перемішаного розчину додається наповнювач (дискретні волокна) та знову перемішується. З готового розчину формуються пінобетонні вироби.

Процес дозування та змішування волокон впливає на якість сумішей та затверділих розчинів. І тому в технологічній схемі передбачено операції з підготовки волокон та використання змішувачів, що дозволяють одержати якісні суміші. В ході виконання випробувань була розроблена технологічна схема виготовлення пінобетонних виробів, що містять дискретні поліпропіленові волокна.

Отримані пінобетонні блоки були використані при реконструкції адміністративно-побутового корпусу заводу і для теплоізоляційного захисту формувального цеху. Після 1 року експлуатації були проведені візуальний огляд теплозахисту з блоків і лабораторні дослідження матеріалу. Вони показали, що технічні характеристики цього матеріалу відповідають даним лабораторних досліджень (табл.3).

Таблиця 3 Технічні властивості теплоізоляційних матеріалів

Властивості	Од. вимірювання	Базовий	Пропонуємий
Щільність	кг/м2	400	400
Міцність при стиску	МПа	0,6-0,7	0,88-1,12
Теплопровідність	Вт/м*єС	0,12	0,104

Розрахунок економічного ефекту виконувався відповідно до інструкції з визначення економічної ефективності використання в будівництві нової техніки та раціоналізаторських пропозицій СН 509-78, а також відповідно до "Рекомендацій щодо визначення економічної ефективності впровадження нової техніки. Економіка підприємств промисловості будівельних матеріалів " (за ред. Ю.Б. Монфреда. - Л.: Стройиздат, 1992).

Техніко-економічна ефективність розрахована на основі порівняння вартості розроблених складів пінобетонних виробів та відомих теплоізоляційних виробів із врахуванням вартості усіх технологічних операцій. теплоізоляційний пінобетон поліпропіленовий армування

Таким чином, економічний ефект за рахунок зниження собівартості матеріалів складає 31,96 грн./м3. Економічний ефект від застосування виробів на основі розробленого теплоізоляційного матеріалу в об'ємі 1000 м3 складає понад 29450 грн./рік.

Основні висновки

Основні наукові і практичні результати, висновки та рекомендації роботи полягають в наступному:

1. Встановлено залежність підвищення стійкості піни із піноутворювача ПБ-2000 за рахунок введення колоїдного стабілізатора карбоксиметилцелюлози (Na-КМЦ) та рідкого скла, які підвищують в'язкість розчину міжплівкового простору та сприяють закупорці каналів Плато, що сприяє зниженню швидкості стікання рідини до 10 %/хв. та підвищенню стійкості з 5 до 35,5 хв. При цьому оптимальна концентрація Na-КМЦ складає 1%, а рідкого скла - 1,5%.

2. Дослідженнями встановлено, що введення піни, яку отримали на основі модифікованого піноутворювача, дозволяє отримати дрібнозернисту структуру з рівномірно розподіленими порами. Міцність на стиск цих зразків відповідає ДСТУ Б В.2.7-45-96 і дорівнює 0,74 МПа при щільності теплоізоляційного пінобетону 425 кг/мі.

3. Розвинуті теоретичні уявлення про механізм впливу дискретних поліпропіленових волокон на процес структуроутворення пінобетону. Введення в піномасу волокон довжиною від 5 до 30 мм в кількості 0,1-0,3% створює армуючий каркас, який знижує усадочні явища при формуванні виробів та надає структурі загальні риси з волокнистими матеріалами, які мають рівномірнорозподілену пористість, а також схожість з зернистими матеріалами, які мають високу зернову пористість.

4. Вперше встановлено, що при заміні молотого піску відходами пиляння граніту міцність дисперсно-армованого пінобетону зростає на 19,3-26,7% (1,1-1,2 МПа) за рахунок підвищення поверхневої енергії внаслідок штучного руйнування граніту та збільшення питомої поверхні в 12,5 разів.

5. Теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість підвищення фізико-механічних властивостей пінобетону за рахунок армування дискретними поліпропіленовими волокнами та модифікації піноутворювача. Підвищення міцності на ранніх термінах твердіння до 0,6 МПа пов'язано зі структуруванням суміші фібровими включеннями, збільшенням внутрішнього тертя та обмеженим переміщенням компонентів матриці в присутності волокон. Підвищення показників міцності на пізніх термінах є результатом інтенсифікації гідратаційних процесів при твердінні цементного каменю та внаслідок збільшення твердої фази за рахунок введення волокон.

6. Розроблено оптимальний склад компонентів для виготовлення теплоізоляційного дисперсно-армованого пінобетону щільністю до 400 кг/м3. Пропонуються наступні співвідношення компонентів: об'єм піни - 1107 -1145 л, довжина волокон - 10-15 мм и концентрація волокон - 0,16-0,22%. Цей склад відповідає наступним властивостям: щільність 400 кг/м3; міцність на стиск 0,88 МПа; міцність на вигин 0,2 МПа; коефіцієнт теплопровідності 0,1 Вт / м оС та загальна пористість - 80%.

7. Удосконалена технологія виготовлення пінобетонних виробів, армованих дискретними поліпропіленовими волокнами, на основі піску, відходів пиляння граніту, цементу та модифікованого піноутворювача “ПБ-2000”, що дозволило знизити енерговитрати на виробництво та зменшити собівартість теплоізоляційних виробів.

8. Економічний ефект за рахунок зниження собівартості матеріалів дорівнює 31,96 грн./мі. Економічний ефект від використання виробів з розробленого теплоізоляційного матеріалу в об'ємі 1000 мі складає 29450 грн./рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Мосьпан В.И. Стеклоэмаль. Утилизация техногенних отходов. Охрана окружающей среды: Монография / В.И. Большаков, Ю.Л. Савин, А.П. Приходько, Л.С. Савин, В.Я. Иоффе, М.Т. Загуральски, Н.С. Сторчай, А.В. Дзюбан, В.И. Мосьпан, В.О.Петренко. - Днепропетровск: ПГАСА, 2008. С.128-164.

2. Мосьпан В.И. Использование ячеистого бетона для производства мелкоштучных стеновых блоков/ В.А. Мартыненко, В.И. Мосьпан, Г.Я. Яковенко // Ресурсосберегающие технологии бетонов в транспортном и гидротехническом строительстве.- Дн-вск: ДГТУТЖТ, ПГАСА, 1995. - Вып.1. - С. 38.

3. Мосьпан В.И. Использование отходов промышленности в производстве ячеистого бетона / В.А. Мартыненко, В.И. Мосьпан, Г.Я. Яковенко, Ю.И. Калениченко // Ресурсосберегающие технологии бетонов в транспортном и гидротехническом строительстве.- Днепропетровск: ДГТУЖТ, ПГАСА, 1995. - Вып.1. - С. 39.

4. Мосьпан В.И. Технологические факторы, определяющие возможность использования неавтоклавного ячеистого бетона в производстве строительных материалов / В.И. Мосьпан // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.- Дніпропетровськ: ПДАБА, 1998. - №4. - С. 26 -28.

5. Мосьпан В.И. Экологические терминоэлементы / Л.С. Савин, Л.Г. Чесанов, Ю.Л. Савин, В.И. Мосьпан // Строительство, материаловедение, машиностроение. - Днепропетровск: ПГАСА, 2002. -Вып.21. - С. 48-52.

6. Мосьпан В.И. К вопросу о дисперсном армировании пенобетона / В.Н. Деревянко, В.И. Мосьпан, А.С. Вечер // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.- Дніпропетровськ: ПДАБА, 2008. - № 4-5. - С. 26 -30.

7. Мосьпан В.И. Повышение стойкости пены в бетонной смеси / В.И. Мосьпан // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури .- Дніпропетровськ: ПДАБА, 2011. - № 1-2. - С. 73 -76.

8. Мосьпан В.И. Физико-химические аспекты взаимодействия техногенного сырья в производстве строительных материалов. /Л.Г. Чесанов, Ю.Л. Савин, В.И. Мосьпан // Безопасность жизнедеятельности в XXI веке: II международный симпозиум, 29 янв. 2002 г.: тезисы докл. - Днепропетровск, 2002.- С. 26-27.

9. Мосьпан В.И. Перспективы использования отходов черной металлургии в промышленности строительных материалов / Л.Г. Чесанов, Ю.Л. Савин, В.И. Мосьпан // Безопасность жизнедеятельности в XXI веке III международный симпозиум, 21 февр. 2003 г.: тезисы докл. - Хургада (Єгипет):2003.- С. 54-55.

Анотація

Мосьпан В.І. Пінобетон, армований дискретними поліпропіленовими волокнами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. Державний вищій навчальний заклад „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури”, Дніпропетровськ, 2011.

Дисертація присвячена поліпшенню якісних характеристик теплоізоляційного матеріалу пінобетону за рахунок модифікації піноутворювача та армування пінобетонної суміші дискретними поліпропіленовими волокнами.

Виконано аналіз теотетичних і експериментальних досліджень з модифікації існуючих піноутворювачів, визначено їх основні характеристики та властивості. Також розглянуто та проаналізовано характеристики та властивості взаємодії між пінною сумішшю та матриціею.

Проведено аналіз та дослідження з питання армування пінобетонних виробів дисперсними волокнами, а також виконано експериментальні дослідження визначення складу пінобетонної суміші. Метою проведення таких досліджень є поліпшення властивостей суміші та затверділих розчинів, у складі яких використано армуючий компонент - поліпропіленове волокно. Результати проведених досліджень свідчать, що армування поризованих бетонів є одним з найбільш ефективних напрямків підвищення їх фізико-механічних характеристик.

Досліджено вплив параметрів поліпропіленових волокон на структурні властивості пінобетонних виробів. Визначено структуру дисперсно-армованих пінобетонних виробів та її вплив на технічні властивості.

Доведено ефективність впливу дискретного армування на поліпшення властивостей та підвищення характеристик отриманого теплоізоляційного матеріалу.

Результати роботи реалізовані у виробництві: виготовлено пробну партію пінобетонних блоків, армованих поліпропіленовим волокном.

Ключові слова: піна, волокно, піноутворювач, модифікація, армування, пінобетон.

Аннотация

Мосьпан В.И. Пенобетон, армированный дискретными полипропиленовыми волокнами . - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. Государственное высшее учебное заведение „Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры”, Днепропетровск, 2011.

Диссертация посвящена повышению качественных характеристик теплоизоляционного материала пенобетона (прочности, трещиностойкости, теплопроводности) за счет модификации пенообразователя и армирования пенобетонной смеси дискретными полипропиленовыми волокнами.

Выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований по вопросу модификации существующих пенообразователей, определены их основные характеристики и свойства. Также рассмотрены и проанализированы исследования по взаимодействию между пенной смесью и матрицей.

Установлена зависимость повышения устойчивости пены на основе пенообразователя ПБ-2000 за счет введения коллоидного стабилизатора карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) и жидкого стекла, которые повышают вязкость раствора межпленочного пространства и способствуют закупорке каналов Плато, что способствует снижению скорости истечения жидкости до 10 % / мин. и повышению стойкости пены с 5 до 35,5 мин. При этом оптимальная концентрация Na-КМЦ составляет 1%, а жидкого стекла - 1,5%.

Выявлено, что введение пены, полученной на основе модифицированного пенообразователя, позволяет получить мелкодисперсную структуру с равномерно распределёнными порами. Прочность на сжатие данных образцов соответствует ДСТУ Б В.2.7 - 45 - 96 и составляет 0,74 МПа при плотности теплоизоляционного пенобетона 425 кг/м3.

Проведены анализ и исследования по армированию пенобетонних изделий дисперсными волокнами, а также выполнены экспериментальные исследования по подбору оптимального состава пенобетонной смеси. Цель проведения таких исследований состоит в улучшении свойств смесей и затвердевших растворов, в составе которых использован армирующий компонент - полипропиленовое волокно. Развиты теоретические представления о механизме влияния дискретных полипропиленовых волокон на процесс структурообразования пенобетона. Введение в пеномассу волокон длиной от 5 мм до 30 мм в количестве 0,1-0,3% создает армирующий каркас, снижающий усадочные явления при формовании изделий и придает структуре затвердевшей композиции общие черты с волокнистыми материалами, имеющими равномерно-распределенную, межволокнистую пористость, а также сходство с зернистыми материалами, отличающимися высокой зерновой пористостью. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что армирование поризованных бетонов является одним из наиболее эффективных направлений повышения их физико-механических характеристик.

Решение некоторых задач потребовало использования методов физического и математического моделирования с их реализацией на ПЭВМ. Установлено влияние параметров полипропиленовых волокон на структуру матрицы: устойчивость процесса поризации, отсутствие усадочных трещин, снижение усадки как при схватывании смеси, так и во время всего периода твердения, равномерность пористой структуры, снижение плотности; и на физико-механические свойства пенобетона. Наиболее оптимальные их параметры находятся в пределах: l = 12…30 мм при диаметре волокон d =17…20 мкм и количественном содержании 0,1-0,3% от массы вяжущего.

Экспериментальным путем разработан и получен оптимальный состав рабочей пены, характеризуемой высокой стойкостью и несущей способностью, а также состав пенобетона с добавкой кремнезёмистого компонента в виде тонкомолотого песка и заменой песка отходами пиления гранита. Впервые установлено, что при замене молотого песка отходами пиления гранита, прочность дисперсно-армированного пенобетона увеличивается на 19,3-26,7%, и составляет 1,1-1,2 МПа, за счет повышения поверхностной энергии в результате искусственного разрушения гранита и увеличения удельной поверхности в 12,5 раза.

В работе исследовано влияние параметров полипропиленовых волокон на структурные свойства пенобетонных изделий. Определена структура дисперсно-армированных пенобетонных изделий и ее влияние на свойства пенобетона.

Доказана эффективность влияния дискретного армирования на улучшение свойств и повышение характеристик полученного теплоизоляционного материала.

Разработан оптимальный состав компонентов для получения теплоизоляционного дисперсно-армированного пенобетона плотностью 400 кг/м3 нами рекомендуются следующие соотношения компонентов: объём вводимой пены - 1107 - 1145 л., длина волокон - 10-15 мм и концентрация волокон - 0,16-0,22%. Это содержание будет соответствовать следующим свойствам: плотность 400 кг/м3; прочность при сжатии 0,88 МПа; прочность при изгибе 0,2 МПа; коэффициент теплопроводности 0,1 Вт/моС и общая пористость, равная 80%.

Усовершенствована технология изготовления пенобетонных изделий, армированных дискретными полипропиленовыми волокнами на основе песка, отходов пиления гранита, цемента и модифицированного пенообразователя “ПБ-2000”, что позволило снизить энергозатраты при их производстве и уменьшить себестоимость теплоизоляционных изделий. Результаты работы реализованы в производстве: выпущена опытная партия пенобетонных блоков, армированных полипропиленовым волокном.

Ключевые слова: пена, волокно, пенообразователь, модификация, армирование, пенобетон.

Summary

Mospan V.I. The foam concrete reinforced with discrete polypropylene fibers. - Manuscript.

Thesis on competition of a Degree of the Candidate of Technical Sciences on a Speciality 05.23.05 - building materials.- SHEE Pridneprovsk State Academy of Civil Еngineering and Architecture// Dnipropetrovsk, 2011.

The thesis deals with improvement of qualitative characteristics of the foam concrete heat-insulated material at the expense of modification of foaming agent and reinforcing of foam concrete mix with discrete polypropylene fibers.

The analysis of theoretical and experimental researches concerning modification of existing foaming agents is made; their basic characteristics and properties are defined in the work. The researches on interaction of foam mix and matrix are considered and analyzed.

The analysis and researches on reinforcing of foam concrete products with disperse fibers are made. Experimental researches on design of optimal foam concrete mixes are performed. The purpose of the researches is the improvement of properties of the mixes and the hardened mortars containing polypropylene fiber as a reinforcing component. The results of the researches testify that reinforcing of porous concretes is one of the most effective ways of increase of their physic-mechanical characteristics.

The influence of the parameters of polypropylene fibers on structural properties of foam concrete products is investigated in the work. The structure of fiber-reinforced foam concrete products and its influence on special properties is defined.

The efficiency of the influence of discrete reinforcing on improvement of properties and increase of characteristics of the obtained heat-insulated material is proved.

The results of the work are carried out into manufacture. The experimental batch of the foam concrete blocks reinforced with polypropylene fiber is produced.

Key words: foam, fiber, foaming agent, modifying, reinforcing, foam concrete.

Размещено на Allbest.ru

...