На правах рукописи

ТОТУРБИЕВ АДИЛЬБИЙ БАТЫРБИЕВИЧ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПЕНОБЕТОН НЕАВТОКЛАВНОГО

ТВЕРДЕНИЯ НА БЕСЦЕМЕНТНОМ КОМПОЗИЦИОННОМ

ВЯЖУЩЕМ

Специальность: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь – 2006 -2

Работа выполнена на кафедре промышленного, гражданского строительства и производства изделий и конструкций Северо-Кавказского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Печеный Б. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Батаев Д. К.-С.

кандидат технических наук Зайналов Ш. М.

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью «Ставропольпроектстрой», г. Ставрополь

Защита состоится «20» июня 2006 г. в 1400 часов на заседании диссертационного Совета КМ 212.245.01 при Северо-Кавказском государственном техническом университете (СевКавГТУ) по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, С 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СевКавГТУ

Автореферат разослан «19» мая 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета КМ 212.245.01, кандидат технических наук, доцент В.В.Лукьяненко

-3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из главных направлений решения проблемы энергосбережения является сокращение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий, сооружений, промышленного оборудования, тепловых сетей, которое не может быть обеспечено без применения высокоэффективных теплоизоляционных материалов.

Потребность в утеплителях особенно возросла после ужесточения нормируемых теплопотерь через ограждающие конструкции зданий, принятых Госстроем РФ в 1995 - 1996 гг. Новыми нормативами предусмотрено увеличение требуемой толщины теплоизоляционного слоя в 1,5-2 раза. Общая потребность в утеплителях уже в первые годы после введения нормативов (2002 -2003 г.г.) составила около 20 млн. м3.

Однако, несмотря на это, существующая номенклатура теплоизоляционных материалов, предлагаемая российскими производителями остается очень ограниченной и расширяется крайне медленно. При этом основными являются минераловатные, стекловатные теплоизоляционные материалы, строительные пенопласты, теплоизоляционные бетоны, материалы на основе вспученного перлита и др.

В этой связи большой интерес представляют теплоизоляционные ячеистые бетоны, получаемые на различных видах вяжущих (портландцемент, ВНВ, ТМЦ, гипсовое вяжущее, фосфогипс, ГНЦВ, перлитоизвестковое вяжущее и др.), мелкозернистых заполнителях, тонкомолотых наполнителях с применением химических добавок, пенообразователей и т.д. Однако среднее значение средней плотности теплоизоляционного ячеистого бетона, выпускаемого промышленностью автоклавированием, высокое и составляет 500-600 кг/м3 при необходимой прочности. Это еще более усугубляется при получении ячеистых теплоизоляционных бетонов (пенобетонов) неавтоклавного твердения.

Поэтому весьма актуальными направлениями совершенствования технологии и повышения качества теплоизоляционных ячеистых бетонов являются дальнейшие теоретические проработки и экспериментальные исследования, направленные на упрощение технологических процессов, энергосбережение, применение бесцементных вяжущих из местного минерального сырья и отходов производства, а также снижение средней плотности, тем самым теплопроводности, и повышение прочности при сжатии.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка энергосберегающей технологии получения неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона с повышенными эксплуатационными характеристиками на композиционном вяжущем, разработанным из местного сырья и отходов производств.

Для достижения цели работы, доказательства выдвинутой рабочей гипотезы и теоретических предположений были поставлены следующие задачи:

- получение щелочно-кремнеземистого раствора (водного раствора силиката натрия) на основе соапстока (жидкого щелочного отхода) и кремнистой породы - спонголита с заданными характеристиками;

- определение цементирующих (клеящих) свойств вяжущей композиции из щелочно-кремнеземистого раствора и отходов камнепиления в зависимости от способа его приготовления и условий твердения;

- исследование физико-химических процессов, протекающих в вяжущей композиции при твердении;

- разработка принципа подбора составов теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем;

- исследование процесса образования высокопористой структуры теплоизоляционного пенобетона на всех стадиях его приготовления;

- изучение эксплуатационных свойств изделий из теплоизоляционного пенобетона в зависимости от технологических параметров их изготовления;

- производственная проверка результатов экспериментальных исследований;

';

- разработка технологии производства теплоизоляционного пенобетона и изделий из него на бесцементном композиционном вяжущем и рекомендаций по их применению;

- технико-экономические обоснования эффективности производства и применения теплоизоляционного пенобетона в строительстве.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании, экспериментальном и практическом подтверждении возможности получения неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона с высокими эксплуатационными свойствами, твердеющего при низкотемпературной обработке.

Предложен научно-обоснованный состав бесцементной вяжущей композиции на основе кремнистых пород (спонголитов), жидких щелочных отходов (соапстока), тонкомолотого наполнителя – отходов карбонатных пород и отвердителя – феррохромового шлака, обеспечивающей получение теплоизоляционного пенобетона с низкими средней плотностью, усадкой и теплопроводностью при достаточно высокой прочности на сжатие.

Установлены закономерности изменения основных физикомеханических, теплофизических характеристик бесцементной пенобетонной композиции от дисперсности, водотвердого отношения, содержания растворимого силиката натрия и пены, продолжительности перемешивания смеси и тепловой обработки, протекания физико-химических процессов в разработанном теплоизоляционном пенобетоне при относительно низких температурах твердения (110-120°С).

Практическая значимость работы. Разработаны составы, отработаны и апробированы технологические параметры производства неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем, полученном по упрощенной и малоэнергоемкой технологии с использованием местного минерального сырья и отходов производств.

Применение разработанного бесцементного композиционного вяжущего и на его основе теплоизоляционного пенобетона позволит восполнить дефицит -5клинкерных цементов, расширить сырьевую базу местных строительных материалов, снизить энергоемкость производства и уменьшить себестоимость теплоизоляционных материалов.

Выпущена опытно-промышленная партия изделий из разработанного теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем в цехе по производству пенобетонных цементных изделий завода ЖБИ ЗАО «Опытное научно-производственное предприятие» в поселке Новый, Тюбе Кумторкалинского района Республики Дагестан.

Разработанный теплоизоляционный пенобетон и изделия из него были применены в качестве теплоизоляции ограждающих конструкций стен, перекрытий и покрытий зданий и сооружений экспериментального жилого массива ООО «Соцжилстрой».

Расчетный годовой экономический эффект от замены цемента на бесцементное композиционное вяжущее при производстве пенобетона плотностью 400 кг/м3 составляет 110,48 рублей на 1 м3 изделий.

Результаты, полученные в процессе выполнения кандидатской диссертационной работы, используются в учебном процессе СевКавГТУ в лекционном курсе и на лабораторных занятиях по дисциплинам: «Материаловедение», «Тенденции развития строительных материалов», «Технология конструкционных материалов» для специальностей 290300, 290500, 290600, 290700.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения на основе кремнистых пород (спонголитов), жидких щелочных отходов (соапстока), тонкомолотого наполнителя (отходов карбонатных пород) и отвердителя (феррохромового шлака) бесцементного композиционного вяжущего с высокой активностью;

- экспериментальные исследования по оценке цементирующих (клеящих) свойств бесцементной вяжущей композиции в зависимости от способа его приготовления и условий твердения;

- результаты термодинамического анализа и кинетика физикохимических процессов, протекающих при взаимодействии растворимого стекла и отвердителя;

- теоретические положения и экспериментальные основы подбора состава, прогнозирования активности и формирования структуры бесцементного композиционного вяжущего;

- результаты исследований подбора составов и процесса образования высокопористой структуры теплоизоляционного пенобетона на всех стадиях его приготовления;

- технология и оптимизированные параметры производства неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем;

- результаты изучения физико-технических и эксплуатационных показателей теплоизоляционных пенобетонов на бесцементном композиционном вя- - результаты опытно-промышленного апробирования, технологии неавтоклавных бесцементных теплоизоляционных пенобетонов и оценки техникоэкономической эффективности их производства.

Достоверность полученных результатов обеспечена комплексными экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием современных физико-механических, теплофизических, физико-химических методов испытания и определений с привлечением математического аппарата, широкой проверкой результатов в условиях производства и подтверждения практикой эффективности производства и применения разработанного теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем.

Апробация и публикация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции г. ПензаКазань, 2006 г. и ХХVII научно-технической конференции ДГТУ, г. Махачкала, 2006 г.

Основное содержание диссертации изложено в 9 печатных работах, в том числе в 1 монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 161 наименования. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, таблиц и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана его научная и практическая значимость.

В первой главе приводится анализ современного состояния производства и применения теплоизоляционных материалов.

Существующая номенклатура теплоизоляционных материалов, предлагаемая российскими производителями, остается очень ограниченной и расширяется крайне медленно. При этом основными являются минераловатные, стекловатные теплоизоляционные материалы, строительные пенопласты, теплоизоляционные бетоны, материалы на основе вспученного перлита и др. Это связано с тем, что финансово-инвестиционные проблемы в российской промышленности не позволяют проводить техническое перевооружение производств по выпуску теплоизоляционных материалов в требуемом темпе, что создает весьма сложную ситуацию на отечественном рынке этих материалов, испытывающем значительное конкурентное давление со стороны зарубежной продукции.

Большой интерес представляют теплоизоляционные ячеистые бетоны, получаемые на различных видах вяжущих (портландцементе, ВНВ, ТМЦ, гипсовом вяжущем, фосфогипсе, ГНЦВ, перлитоизвестковом вяжущем и др.), мелкозернистых заполнителях, тонкомолотых наполнителях с химическими добавками, пенообразователями и др. Однако, среднее значение плотности теплоизоляционного ячеистого бетона, выпускаемого промышленностью автоклавированием, высокое и составляет 500-600 кг/м3 при требуемой эксплуатационной прочности. Это еще более усугубляется при получении ячеистых теплоизоляционных бетонов (пенобетонов) неавтоклавного твердения.

В связи с этим весьма актуальными и перспективными являются дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования, направленные на упрощение технологических процессов, энергосбережение (неавтоклавная технология), применение бесцементных вяжущих из местного минерального сырья и отходов производства, снижение средней плотности и тем самым теплопроводности, и повышение прочности теплоизоляционных ячеистых бетонов.

Во второй главе рассмотрены научно-практические основы получения неавтоклавных пенобетонов на бесцементных вяжущих композициях и дается описание методов проведения исследований.

Несмотря на большой объем исследований бесцементных вяжущих, практически отсутствует их промышленное производство. Это связано с трудностями подбора состава и прогнозирования свойств бесцементных вяжущих на различном сырье, так как нет надежного метода измерения потенциальной гидравлической активности этих вяжущих. Кроме того, необходимо отметить отсутствие высокоактивных вяжущих и методик оценки перспективности применения различного минерального сырья для их изготовления.

Поиск новых высокоактивных бесцементных вяжущих показал возможность замены жидкого стекла силикат-глыбой, что позволяет значительно снизить количество воды затворения и обеспечивает существенное повышение когезионной прочности вяжущего, сокращение расхода силикат-глыбы и за счет этого расширение температурного диапазона применения жаростойких материалов.

В результате проведенных в НИИЖБ Госстроя РФ, ДГТУ, МГСУ, всесторонних теоретических и экспериментальных исследований, получены эффективные виды безводных силикат-натриевых композиционных вяжущих и на их основе строительных материалов различного назначения, в том числе жаростойких теплоизоляционных. Вяжущие свойства этих композиций проявляются главным образом вследствие приобретения безводным силикатом натрия адгезионных свойств, определяющих клеящую способность этого компонента, и когезионной прочности клеевых контактов, прочность и долговечность которых в свою очередь зависит от условий их образования.

Несмотря на большие преимущества жаростойких теплоизоляционных материалов на безводных силикат-натриевых композиционных вяжущих практически отсутствуют исследования, направленные на разработку обычных строительных теплоизоляционных материалов из этих вяжущих. Это связано с тем, что безводные силикаты натрия являются наиболее дорогими компонентами в составе композиционного вяжущего. Согласно традиционной технологии изготовление безводных силикатов натрия (силикат-глыбы) является достаточно энергоемким и сложным производством. Их получают преимущественно сплавлением кварцевого песка с карбонатом или сульфатом натрия, восстанавливающихся добавкой угля при 1400оС. Для получения жидкого стекла (водного раствора силиката натрия) с последующим растворением в автоклавах или специальных котлах безводных силикатов натрия при температуре 90-100оС в процессе перемешивания. Отсюда следует, что получение жидкого стекла и вяжущих композиций на его основе путем упрощения технологических переделов и применение более доступного местного минерального сырья и технологических отходов в качестве сырья позволит расширить область их применения.

Исходя из вышеизложенного и опираясь на результаты многочисленных исследований по применению силикатов натрия для производства различных строительных материалов, а также, учитывая его высокую активность по отношению к ряду наполнителей, было сделано предположение о возможности разработки энергосберегающей технологии получения теплоизоляционного пенобетона неавтоклавного твердения на бецементном композиционном вяжущем с привлечением местного сырья и отходов производств. При этом с целью снижения стоимости единицы продукции теплоизоляционного пенобетона возможно исключение из состава дорогостоящего компонента силиката натрия и уменьшение количества пенообразователя, а вяжущее вещество (водный раствор силиката натрия) целесообразно получить путем предварительного нагрева в процессе мокрого перемешивания системы, состоящей из кремнистой породы (аморфного SiO2) и соапстока – жидкого щелочного отхода, образующегося при щелочной рафинации рыбьего жира.

При этом предполагается, что:

1) тонкодисперсный спонголит в процессе совместного мокрого перемешивания с соапстоком при относительно низкой температурной (80-90оС) тепловой обработке вступает в химическое взаимодействие с щелочью NаОН, содержащейся в соапстоке, до установления «равновесия» между ними, образуя при этом высокомодульный водный раствор силиката натрия. Известно, что с увеличением кремнеземистого модуля силиката натрия, а, следовательно, и вяжущего и материала на его основе, повышается водостойкость;

2) предварительные поисковые опыты показали повышенную способность разрабатываемого двухкомпонентного (mSiO2 · nH2O : соапсток) вяжущего к пенообразованию, что создает условия для образования мелкопористой структуры, необходимой для получения высококачественного теплоизоляционного пенобетона;

3) тонкомолотый карбонатный наполнитель с развитой поверхностью, являясь своего рода адсорбентом, при перемешивании с пеномассой будет адсорбировать и частично поглощать высокомодульное силикат-натриевое вяжущее, обладающее высокими адгезионными свойствами, в результате чего после затвердения образуется внутриповерхностная оболочка повышающая прочность стенок межпорового пространства, следовательно и прочность теплоизоляционного пенобетона;

4) соапсток, одновременно являясь пластификатором и придавая пенобетонной смеси повышенную подвижность и удобоукладываемость, снижает расход воды, что в свою очередь приводит к повышению прочности связующей Исследование физико-механических и теплофизических свойств бесцементного композиционного вяжущего и неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона на его основе проводилось в соответствии с действующими ГОСТами. Для получения достоверных результатов количество опытов при проведении экспериментов регламентировалось также соответствующими ГОСТами, а при отсутствии данных о необходимом числе опытов определялось с использованием формул вариационной статистики.

С целью исследования физико-химических процессов, происходящих в бесцементном композиционном вяжущем при твердении, были использованы современные комплексные методы исследования: рентгенофазовый, дифференциально-термический и термомодинамический анализы.

Рентгенофазовый анализ исследования проводился на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДРОН-2,0 на отфильтрованном Си излучении рентгеновской трубки ВСВ-9 с напряжением на аноде 35 кВ и током 20 МА.

Дифференциально-термический анализ проводился на приборе «Дериватограф»

при скорости нагрева 9 оС в минуту в интервале температур 20-800 оС. Для определения рН среды, основанного на измерении электродвижущей силы электрода, погруженного в испытуемый раствор, величина которого зависит от количества водородных ионов, использовали ионометр рН – 340.

Для получения щелочно-кремнеземистого растворов путем одновременного разогрева и перемешивания применялась лабораторная смесительная установка марки КП-118. Приготовление щелочно-кремнеземистого раствора путем одновременного разогрева и перемешивания осуществлялось в следующей последовательности. Отдозированный жидкий щелочной раствор соапстока соответствующей концентрации загружали в мешалку и нагревали до заданной температуры. Затем в нагретый до 80-90оС раствор при одновременном перемешивании вводили тонкодисперсный спонголит. Нагревание и перемешивание продолжали до получения щелочно-кремнеземистого раствора (водного раствора силиката натрия) соответствующего значения силикатного модуля.

Подбор оптимального состава неавтоклавного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем осуществлялся с применением математических методов планирования эксперимента и построением экспериментальностатистичес-ких моделей с использованием ЭВМ.

В третьей главе приводится характеристика исходных сырьевых материалов и экспериментальные исследования получения бесцементного композиционного вяжущего и на его основе теплоизоляционного пенобетона неавтоклавного твердения.

В работе для получения водного раствора силиката натрия использовались кремнистые породы (спонголит) Дагестанского месторождения, соапсток – отход щелочной рафинации рыбьих жиров Махачкалинского рыбоконсервного завода, а в качестве отвердителя использовался феррохромовый шлак – отход электрометаллургического производства. При получении пеномассы в качестве тонкомолотого наполнителя использовались карбонатная порода – отходы камнепиления известняка и пенообразователь марки ПО ПБ-1 ТУ 2481-001Вода для затворения смеси удовлетворяла ГОСТ 23732-79.

Проведенные исследования по получению щелочно-кремнеземистого раствора (водные растворы силиката натрия) с использованием кремнистых пород (спонголита) и жидкого щелочного компонента – соапстока показали, что важнейшими факторами, влияющими на растворимость аморфного SiO2 (спонголита) являются концентрация щелочи в соапстоке (рисунок 1), температура, продолжительность растворения, минералогический состав породы и ее дисперсность. Установлены следующие рациональные параметры получения высокомодульного щелочно-кремнеземистого раствора: температура - 90±3 оС; продолжительность растворения – 4 ч; рН раствора – 12…13; дисперсность спонголита – 2500 см2/г.

Выход SiO, % Рисунок 1 – Зависимость выхода SiО2 от исходного количества спонголита при разных концентрациях щелочи (рядом с экспериментальными точками даны значения соответствующих силикатных модулей): 1 – 1,0; 2 – 1,5; 3 – 2,0; 4 – 3, - 11 Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о том, что щелочной обработкой (щелочным раствором соапстока) природного сырья – спонголита можно получить водный раствор силиката натрия с необходимой концентрацией SiО2, т.е. с заранее известным кремнеземистым модулем.

Установлены рациональные параметры получения вяжущей (клеевой) композиции. Выявлены зависимости прочности образцов вяжущей композиции от дисперсности карбонатной породы, соотношения карбонатной породы и водного раствора силиката-натрия и его кремнеземистого модуля Мк, влияние наличия щелочной пластифицирующей добавки соапстока в водном растворе силиката натрия на подвижность, следовательно, на исходную влажность раствора композиционного вяжущего.

Данные, приведенные на рисунке 2, свидетельствуют о существенном влиянии содержания водного раствора силиката-натрия на прочность бесцементного композиционного вяжущего.

Оптимальное содержание водного раствора силиката натрия в композиции составляет 25-30 %, при котором композиционное вяжущее имеет достаточно высокую прочность (20-30 МПа).

При разработке оптимальных составов бесцементной вяжущей композиции, состоящей из растворимого стекла, полученного путем растворения кремнистой породы (спонголита) в щелочном растворе (жидкие отходы щелочной рафинации рыбьего жира - соапсток), тонкомолотого наполнителя (отходы карбонатных пород) и отвердителя (феррохромового шлака), регулирующего сроки схватывания, исследовались следующие технологические и физикомеханические свойства теста и камня из бесцементного композиционного вя- - сроки схватывания и твердения бесцементного композиционного теста;

- пластическая прочность и подвижность;

- прочность при сжатии, изгибе и усадка бесцементного композиционного вяжущего в процессе твердения.

По результатам этих исследований был принят следующий состав бесцементного камня, % по массе: водный раствор силиката натрия – 32,6, феррохромовый шлак – 9,8 и тонкомолотая карбонатная порода – 57,6.

Особенности бесцементного композиционного вяжущего, обусловленные его гидратацией, сроками схватывания, высокой щелочностью среды раствора и вязкостью, требуют проведения специальных исследований по рецептуре и оптимизации технологических параметров производства теплоизоляционного пенобетона. Традиционная технология ячеистых бетонов включает: подготовку сырьевых компонентов, поризацию бетонной смеси, тепловую обработку изделий, в процессе которых формируются основные характеристики изделий. В связи с этим были выполнены исследования по разработке и оптимизации технологии производства теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем.

Методами математического планирования эксперимента были установлены следующие оптимальные технологические параметры растворной смеси до его поризации:

• содержание наполнителя – 45-57% по массе;

• дисперсность наполнителя – 150 м2/кг;

• дисперсность отвердителя – 250 м2/кг.

В дальнейшем были проведены исследования по выявлению влияния основных факторов на пенообразование и устойчивость пеномассы.

Одной из важнейших физических характеристик, влияющей на пеноустойчивость массы смеси, является вязкость водного раствора силиката натрия. Изменение вязкости водного раствора силиката натрия разной концентрации и кремнеземистого модуля с изменением температуры показывает, что оно зависит не только от концентрации жидкости и содержания кремнезема в нем, но и от температуры. С повышением температуры вязкость раствора силиката натрия значительно понижается, следовательно, до наступления низкотемпературной сушки для твердения разработанной пенокомпозиции, необходимо ввести отвердитель и произвести выдержку для повышения устойчивости пеномассы.

Выбор режимов тепловой обработки теплоизоляционного пенобетона проводился с учетом условий рационального расхода топливно-энергетических ресурсов и удельного объема готовой продукции сушильного агрегата. В связи с этим представляет интерес производить режим сушки с ускоренным нагревом изделий. Этот режим заключается в следующем. Образцы после формования загружают в печь предварительно нагретую до 110-120оС и выдерживают в течение 5-6 часов.

- 13 Результаты исследований по выбору рациональной температуры ускоренного нагрева в зависимости от прочности образцов теплоизоляционного пенобетона приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Зависимость прочности теплоизоляционного пенобетона от температуры обработки Из данных таблицы 2 следует, что самые высокие показатели прочности при сжатии пенобетона получены при использовании 4, 5, 6 режимов. Поэтому за оптимальный ускоренный режим тепловой обработки изделий приняты № 4, 5, 6 при 100-120°С в течение 5-6 часов.

Однако, этот режим тепловой обработки в дальнейшем при изготовлении пенобетонных теплоизоляционных изделий различной плотности подлежит корректировке, так как, упрочнение их структуры, за счет обезвоживания системы, будет зависеть от их плотности и толщины изделий.

Определены технологические параметры получения пеномассы на бесцементном композиционном вяжущем.

Сравнение исследованных характеристик поровой структуры неавтоклавного пенобетона, изготавливаемого на цементе и бесцементном композиционном вяжущем показало, что пенобетону на бесцементном композиционном вяжущем присуще лучшее качество распределения плотного вещества по объему материала при мелкозернистой пористости.

На основании результатов испытаний наиболее распространенных пенообразователей по пенообразующей способности был принят пенообразователь ПО-ПБ1.

Результаты исследований влияния содержания пены на плотность теплоизоляционного пенобетона показывают, что с увеличением количества пены в составе композиции его средняя плотность уменьшается пропорционально содержанию пены, и, наоборот, с увеличением твердого составляющего (пеномассы) средняя плотность теплоизоляционного пенобетона растет. Таким образом, средняя плотность теплоизоляционного материала полностью регулируется количеством пены, введенной в состав бесцементной композиционной массы. При этом показатели пористости и прочности при сжатии при равных условиях получения теплоизоляционного пенобетона естественно зависят от плот- представленных на рисунке 3, зависимостей пористости и прочности при сжатии от средней плотности теплоизоляционного пенобетона, полученного при введении пены в оптимальный состав бесцементной композиции. Такой характер изменения пористости и прочности при сжатии в зависимости от средней плотности сохраняется и после сушки при 110-120оС теплоизоляционного пенобетона.

Рисунок 3 – Зависимость прочности при сжатии Rсж, пористости П от средней плотности теплоизоляционного материала: 1 – прочность при сжатии после естественного твердения, 2 – то же, после сушки при 110-120оС, 3 – пористость естественного твердения, 4 – то же, после сушки при 110-120оС Показатели пористости и прочности на сжатие образцов после сушки при 110-120оС увеличиваются по сравнению с аналогичными показателями образцов теплоизоляционного пенобетона после твердения в естественных условиях.

Это свидетельствует о том, что при сушке в рассматриваемом материале происходит наиболее полное удаление воды из структуры материала, то есть обезвоживание всей бесцементной композиции. Следует отметить низкие значения усадки (0,37-0,13%) (рисунок 4) теплоизоляционного пенобетона средней плотностью 400-600 кг/м3. Это объясняется тем, что в результате его сушки связка из этой композиции характеризуется высокой плотностью и быстрым набором повышенной прочности межпоровых перегородок в высокопористой структуре - 15 теплоизоляционного пенобетона. Формирование структуры при этом происходит за счет быстрого взаимодействия водного раствора силиката натрия с отвердителем, т.е. с минералами тонкомолотого феррохромового шлака. Продуктами взаимодействия являются силикаты, которые частично разлагают щелочные силикаты и адсорбируют часть воды, связанной гелем. Склеивание при этом обеспечивают коагулирующий гель кремниевой кислоты и гидросиликаты кальция.

Рисунок 4 – Зависимость усадки от средней плотности теплоизоляционного пенобетона Разработанные оптимальные составы теплоизоляционного пенобетона в зависимости от средней плотности приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Оптимальные составы теплоизоляционного пенобетона в зависимости от плотности Бесцементное композиПрочность По результатам исследований разработана технология производства теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем и определены ее рациональные технологические параметры (таблица 4). По разработанной технологии были изготовлены теплоизоляционные пенобетоны различной плотности со свойствами, представленными в таблице 5. Данные таблицы 5 отражают высокие показатели качества полученных теплоизоляционных пенобетонов, по прочности они удовлетворяют требованиям ГОСТ 25485-89 и могут использоваться в качестве теплоизоляции в строительных сооружениях.

Таблица 4 – Параметры технологии изготовления теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем Наименование параметров Таблица 5 – Основные свойства теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем Наименование показателей свойств Теплопроводность при температуре (25±3) оС, Вт/(м·К), не более Предел прочности при сжатии, МПа, не менее Таким образом, исследованиями установлена возможность изготовления неавтоклавных теплоизоляционных пенобетонов на разработанном бесцементном композиционном вяжущем со свойствами, удовлетворяющими требованиям нормативных документов, предъявляемым к теплоизоляционным материалам для теплоизоляции зданий и сооружений.

- 17 В четвертой главе освещаются результаты опытно-промышленной проверки и технико-экономической оценки эффективности производства и применения теплоизоляционного пенобетона неавтоклавного твердения на бесцементном композиционном вяжущем.

Проверку результатов исследований предложенных рекомендаций, детализацию технических решений и корректировку технологических параметров применительно к промышленному оборудованию осуществили путем апробации разработки в цехе по производству пенобетонных изделий завода ЖБИ ЗАО «Опытное научно-производственное предприятие» в поселке Новый Тюбе, Кумторкалинского района Республики Дагестан.

Выбор сырьевой и производственной базы был произведен на основании анализа географического расположения месторождений кремнистых пород и используемых отходов. В связи с этим одним из перспективных предприятий, расположенных наиболее близко к сырьевым ресурсам, является завод железобетонных изделий ЗАО «Опытное научно-производственное предприятие», на котором организовано производство разработанного теплоизоляционного пенобетона.

При изготовлении опытно-промышленной партии изделий из теплоизоляционного пенобетона были использованы следующие материалы:

- кремнистая порода из карьера расположенного в бассейне реки Халгорк, Левашинского района республики Дагестан, по минералогическому составу относится к опало-кальцитовым, структура органогенно-обломочная, плотность в куске 1400-1900 кг/м3, влажность 3-9%, истинная плотность 2560-2590 кг/м3, открытая пористость 22-29%, общая пористость 36-45 % и прочность при сжатии в сухом состоянии 36-69 МПа;

- пенообразователь марки ПО-ПБ1 (ТУ №2481-001-31820565-97);

- соапсток – отходы щелочной рафинации рыбьего жира;

- отвердитель – феррохромовый шлак;

- тырса (карбонатная порода) – отходы камнепиления.

Для организации производства теплоизоляционных пенобетонных плит использовалась существующая технологическая линия по производству пенобетона завода ЖБИ ЗАО «Опытное научно-производственное предприятие».

Все технологические операции по выпуску опытной партии плит размерами 50050080 мм и 30050080 мм были выполнены на стандартном оборудовании в соответствии с разработанной технологической схемой.

Водный раствор силиката натрия готовится совместным перемешиваем кремнистой породы и щелочного раствора соапстока в специальной мешалке с нагревательным устройством (до 90оС). Затем, с помощью насоса, готовый водный раствор силиката натрия в виде пульпы подается в бак запаса. Поступающая из карьера на склад сырьевых материалов кремнистая порода (спонголит) дополнительно измельчается в шаровой мельнице до удельной поверхности 2500 см2/г, отходы карбонатной породы (тырса), и феррохромовый шлак после помола (Sуд = 2500 – 3000 см2/г) из бункеров запаса, отдозированные, транспортерами подаются в пенобетоносмеситель, где происходит совместное перемешивание с водным раствором силиката натрия в течение 4-5 минут до получения гомогенной бесцементной композиционной смеси. В полученный таким образом раствор бесцементного композиционного вяжущего вводится заранее приготовленная пеногенератором пена и производится перемешивание в течение 5-6 минут до получения однородной и устойчивой пеномассы.

Для получения однородной устойчивой пеномассы при ее изготовлении необходимо соблюдать следующие условия:

- средняя плотность раствора должна быть в пределах 500-550 кг/м3;

- консистенция раствора должна соответствовать расплыву по вискозиметру Суттарда 106…115 мм;

- средняя плотность пены должна находится в пределах 50-65 кг/м3;

- пена не должна разрушаться (оседать) в течение 30 минут с момента ее приготовления;

- средняя плотность пенобетонного раствора должна изменяться соответственно марке изготовляемых изделий по плотности.

Пенобетонную смесь подают и заливают в стальные или алюминиевые формы соответствующих размеров при помощи героторного насоса. При небольшом объеме производства возможен ручной разлив пеномассы в формы.

Отформованные изделия после выдержки в естественных условиях направляют в сушильные камеры на тепловую обработку по принятому оптимальному режиму. Для окончательного закрепления межпоровых перегородок необходима выдержка при 110-120оС для обезвоживания системы и повышения, вследствие этого, когезионной прочности вяжущей композиции. Пенобетонные теплоизоляционные изделия сушат в формах в камерных или туннельных противоточных сушилках. Продолжительность сушки пенобетонных теплоизоляционных изделий зависит от их размеров и сложности формы. Так, для изделий в виде плит размерами 50050080 мм продолжительность сушки 8 часов.

После низкотемпературной обработки, высушенные готовые изделия поступают на склад готовой продукции. Затем готовые изделия подвергаются визуальному осмотру и формируются партии для испытания по ГОСТ 12852.0-77.

Согласно полученным результатам испытаний, технические характеристики теплоизоляционного пенобетона удовлетворяют требованиям нормативных документов и ГОСТ 25485-89.

По результатам лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний технологии производства теплоизоляционного пенобетона из бесцементного композиционного вяжущего на основе водного раствора силиката натрия, отвердителя – феррохромового шлака и отходов карбонатной породы, твердеющего при низкотемпературной обработке (110-120оС), разработаны технические условия и технологический регламент производства неавтоклавных пенобетонных теплоизоляционных изделий.

Результатами опытно-промышленного апробирования полностью подтверждены положения рабочей гипотезы и выводы.

Опытно-промышленное апробирование технологии пенобетона с твердением при низкотемпературной сушке 110-120°С в условиях завода ЖБИ ЗАО - использования кремнистых пород (спонголита), а также отходов щелочной рафинации рыбьего жира для изготовления водного раствора силиката натрия;

- получения бесцементного композиционного вяжущего с заданными свойствами из водного раствора силиката натрия (связующего), тонкодисперсных отходов карбонатной породы (наполнителя), феррохромового шлака (отвердителя);

- промышленного изготовления неавтоклавных пенобетонных теплоизоляционных изделий на бесцементном композиционном вяжущем низкой себестоимости;

- организации производства пенобетона из бесцементного композиционного вяжущего в условиях действующих предприятий с использованием стандартного оборудования.

Переход предприятий на использование разработанного бесцементного композиционного вяжущего вместо цемента снижает себестоимость теплоизоляционных пенобетонных изделий.

По результатам выполненной работы, опытно-промышленного внедрения и технико-экономического обоснования заводом ЖБИ ЗАО «Опытное научнопроизводственное предприятие», ООО «Соцжилстрой» принято совместное решение внедрить технологическую линию по производству пенобетонных теплоизоляционных изделий неавтоклавного твердения мощностью 35-40 тыс. м в год.

Экономическая эффективность пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем обусловлена снижением себестоимости производства за счет замены цемента на бесцементное композиционное вяжущее, получаемого по энергосберегающей технологии.

Экономический эффект только от замены цемента на бесцементное композиционное вяжущее при производстве пенобетона плотностью 400 кг/м3 составляет 110,48 руб. на 1м3 изделий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована возможность получения неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона с высокими эксплуатационными свойствами на бесцементном композиционном вяжущем с использованием местного минерального сырья и отходов производств.

2. В результате комплексных экспериментальных исследований разработано бесцементное композиционное вяжущее на основе кремнистых пород (спонголита), жидких щелочных отходов (соапстока), отходов карбонатных пород (тонкомолотого наполнителя) и феррохромового шлака (отвердителя). При этом определен оптимальный состав, % масс.: растворимое стекло силиката натрия - 31,6; тонкомолотый наполнитель - 58,9; тонкомолотый отвердитель - 9,5.

3. Разработана технология получения бесцементного композиционного силикат-натриевого растворимого стекла путем растворения кремнистой породы (спонголит) в жидком растворе щелочных отходов рафинации рыбьего жира в условиях низкотемпературного нагревания при 85-90°С и перемешивания в течение 4 часов; введение в полученный водный раствор силиката натрия тонкомолотых наполнителя и отвердителя, и перемешивание в течение 6 минут до получения гомогенной бесцементной композиционной смеси, при этом выявлен высокий уровень однородности смеси независимо от концентрации силиката натрия в композиции.

4. На основании термодинамических расчетов и физико-химических исследований показано, что твердение бесцементной композиционной смеси на растворимом стекле и феррохромовом шлаке обеспечивается коагулирующим гелем кремниевой кислоты и гидратацией силикатов кальция.

5. Высокие вяжущие свойства бесцементного композиционного вяжущего на основе растворимого силиката натрия, тонкомолотых наполнителя - карбонатной породы и отвердителя - феррохромового шлака, позволили разработать теплоизоляционный пенобетон с повышенными эксплуатационными свойствами. Здесь необходимо отметить низкие показатели усадки (0,37-0,13 %) при достаточно высоких показателях теплоизоляционного пенобетона средней плотностью 400-600 кг/м3. Это объясняется тем, что клеящая способность разработанного композиционного вяжущего в 2-3 раза выше, чем у цементов.

Связка из этой композиции характеризуется высокой плотностью и клеящей способностью, что может обеспечить повышенную прочность межпоровых перегородок (пленок) в высокопористой структуре теплоизоляционного пенобетона. Формирование структуры при этом происходит за счет взаимодействия водного раствора силиката натрия с отвердителем, т.е. с минералами тонкомолотого феррохромового шлака. Продуктами взаимодействия являются силикаты, которые частично разлагают щелочные силикаты и адсорбируют воду у геля. Склеивание при этом обеспечивает коагулирующий гель кремневой кислоты и гидросиликаты кальция.

6. Установлено, что плотность безавтоклавного теплоизоляционного пенобетона полностью регулируется количеством пены, введенной в состав бесцементной композиции, и составляет: 300-600 кг/м3 при соответствующем расходе пены 870-620м3. При этом показатели пористости, усадки и прочности при сжатии при равных условиях получения теплоизоляционного пенобетона зависят от плотности материала.

7. Экспериментально отработаны рациональные режимы получения теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем, позволяющие использовать вяжущие с короткими сроками схватывания. Оптимизирован вид и расход пенообразователя - ПО-ПБ1 (ТУ-2481-001-31820565-97) от массы воды. Этот способ поризации даже для вяжущих с высокой водопотребностью позволяет изготавливать пенобетоны при низких водотвердых отношениях - 0,49-0,52, при этом обеспечиваются необходимые реологические характеристики смеси (расплыв по Суттарду 16 см) для формования массива.

прочность (Rм=0,04 МПа), при которой можно производить разрезку массива на изделия. Продолжительность тепловой обработки в зависимости от толщины теплоизоляционных пенобетонных массивов на бесцементном композиционном вяжущем при температуре изотермической выдержки 110-120°С составляет 5- часов.

8. Опытно-промышленное апробирование технологии изготовления теплоизоляционных пенобетонных изделий на разработанном бесцементном композиционном вяжущем в условиях завода ЖБИ ЗАО ОНПП, а также применения их в качестве теплоизоляции ограждающих конструкций стен, перекрытий и покрытий зданий и сооружений ООО «Соцжилстрой», подтвердило выдвинутую рабочую гипотезу и результаты теоретических и экспериментальных исследований, показало возможность промышленного изготовления и организации производства теплоизоляционных пенобетонных изделий с высокими эксплуатационными свойствами в условиях действующих предприятий с использованием стандартного оборудования.

9. Технико-экономическая эффективность от замены цемента при производстве неавтоклавных теплоизоляционных пенобетонных плит на бесцементное композиционное вяжущее применительно к условиям завода ЖБИ ЗАО ОНПП составит 110,48 руб. на 1 м3 изделий плотностью 400 кг/м3.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Тотурбиев А.Б. Исследование получения щелочно-кремнеземистого раствора. // Региональный вестник молодых ученых: Сборник статей молодых ученых и аспирантов. – М.: РАН Дагестанский научный центр, 2005. – № 6. – С. 9Тотурбиев А.Б. Бесцементное композиционное вяжущее из техногенных отходов. // Региональный вестник молодых ученых: Сборник статей молодых ученых и аспирантов. – М.: РАН Дагестанский научный центр, 2005. – № 6. – С.

11-13.

3. Мантуров З.А., Тотурбиев А.Б. Исследование технологических свойств жаростойкого бетона с использованием местного сырья на силикат-натриевом композиционном вяжущем. // Вестник Дагестанского государственного технического университета. – № 7. – Махачкала: ДГТУ, 2005. – С. 143-147.

4. Мантуров З.А., Тотурбиев А.Б. Исследование термомеханических свойств жаростойкого бетона с использованием местного сырья на силикатнатриевом композиционном вяжущем. // Вестник Дагестанского государственного технического университета. – № 7. – Махачкала: ДГТУ, 2005. – С.148-152.

5. Тотурбиев А.Б. Физико-химические исследования процессов, протекающих при взаимодействии растворимого стекла и отвердителя - 2СаО SiО2. // Региональный вестник молодых ученых: Сборник статей молодых ученых и аспирантов. – М.: РАН Дагестанский научный центр, 2006. – №1. – С.22-23.

6. Тотурбиев А.Б. Ячеистые теплоизоляционные бетоны неавтоклавного твердения. // Региональный вестник молодых ученых: Сборник статей молодых 23-25.

7. Печеный Б.Г., Тотурбиев А.Б. Теоретические предпосылки получения неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона на бесцементном композиционном вяжущем. // Международная научно-практическая конференция. – Пенза-Казань, 2006. – С. 332-334.

8. Мантуров З.А., Тотурбиев А.Б. Исследование технологических параметров получения пеномассы на бесцементном композиционном вяжущем. // Сборник тезисов докладов XXVII итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. – Махачкала:

ДГТУ, 2006. – С. 211.

9. Тотурбиев Б.Д., Печеный Б.Г., Мантуров З.А., Тотурбиев А.Б. Теплоизоляционный пенобетон неавтоклавного твердения на бесцементном композиционном вяжущем. – Махачкала: ДНЦ РАН, 2006. – 162 с.

на бесцементном композиционном вяжущем

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени Подписано в печать: 15.05.2006 г.

Отпечатано в типографии Северо-Кавказского государственного технического университета 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, - 24 -