Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук. — Белгород: БГТУ им. Шухова, 2012. — 26 с.
05.23.05 — Строительные материалы и изделия
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Строкова
Валерия Валерьевна.
Цель работы. Разработка гранулированного
наноструктурирующего заполнителя (ГНЗ) пролонгированного действия
на основе сырья различного типа для легкого бетона.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка экспресс-метода определения активности кремнеземных компонентов как сырья для получения ГНЗ;
- разработка составов и изучение свойств ГНЗ на основе кремнеземного сырья различного генетического типа;
- проектирование составов и изучение свойств легкого бетона на основе ГНЗ;
- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.
Научная новизна. Предложен принцип проектирования состава гранулированного наноструктурирующего заполнителя для легкого бетона с учетом активности кремнеземного сырья различного генетического типа. В качестве кремнеземного компонента ГНЗ для бетона, твердеющего при ТВО, рациональным является использование аморфизованного вещества преимущественно кристобалит-тридимитового состава. В качестве интегральной характеристики оценки свойств кремнеземного сырья (КС), с учетом установленной корреляции между показателем силикатного модуля и изменением активности кремнеземного компонента, предлагается использовать коэффициент активности, рассчитываемый по результатам испытаний, проводимых согласно предложенного экспресс-метода. Установлен характер влияния количества гидроксида щелочного металла в составе ядра ГНЗ и времени ТВО на объем синтезируемых растворимых полисиликатов с учетом активности кремнеземного компонента. Достаточными условиями являются температурная обработка при 85 °С в течение 1,5-2 ч. Показано, что рациональным является такое соотношение между кремнеземным компонентом и щелочью в составе ядра, при котором достигается максимальное значение силикатного модуля с нижней границей равной 1,5, а также максимальное значение коэффициента изменения активности. КС как компонент ГНЗ ранжировано по величине коэффициента активности на: высокоактивное 51-100 %, активное 21-50 %, малоактивное 5-20 %. Предложен механизм формирования контактной зоны ГНЗ с цементно-песчаной матрицей бетона, заключающийся в комплексе процессов: гидратация, щелочное растворение кремнезема, полимеризация и поликонденсация новообразованных полисиликатов. Первым этапом является частичная гидратация минералов портландцемента, образующих жесткий каркас между мелким заполнителем и неактивированным ГНЗ. В условиях тепловлажностной обработки (ТВО), на втором этапе, наряду с гидратацией, происходит активация содержимого ядра ГНЗ, заключающаяся в выщелачивании аморфного кремнезема и формировании растворов полисиликатов, с последующей их миграцией через оболочку ГНЗ в толщу бетона. Эпикристаллизационное модифицирование цементного камня ГНЗ пролонгированного действия приводит: к инкапсуляции минеральных частиц цементного камня и мелкого заполнителя гидрофобизирующим слоем функциональных эпигенетических 2Б-наносистем натросилита, обеспечивающей возникновение новых, в частности, гидрофобных свойств материала; монолитизации структуры мелкозернистого бетона при перколяции растворенного вещества, что ведет к снижению микропористости цементно-песчаной матрицы, и как следствие, к увеличению прочности и водостойкости мелкозернистого бетона в целом.
Экспериментально обоснована возможность использования портландцемента с добавкой шлака (ЦЕМ 11/А-Ш 32,5Б) в качестве оболочки ГНЗ. При формировании оболочки заполнителя в процессе грануляции силикат натрия в присутствии шлака, являющегося отвердителем, образует нерастворимые соединения, способствующие: пролонгации действия ГНЗ и увеличению адгезии ГНЗ к матрице.
Практическое значение работы. Разработан экспресс-метод определения активности кремнеземных компонентов как сырья для получения ГНЗ.
Расширен спектр и проведено ранжирование различных видов минерального сырья по степени эффективности его использования в качестве функционального компонента ГНЗ.
Разработаны составы и технология получения ГНЗ пролонгированного действия с плотностью 720-960 кг/м3 и прочностью при сжатии в цилиндре 0,32-0,98 МПа.
Предложены составы легкого бетона с применением ГНЗ из сырья различных генетических типов с плотностью 1549-1569 кг/м3, прочностью 11,35-11,79 МПа, теплопроводностью 0,31-0,42 Вт/(м∙К). Установлены зависимости основных физико-механических характеристик бетона от состава и количества ГНЗ.
Предложена технология производства изделий из легкого бетона на основе ГНЗ.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Экспериментальный цех «Экостройматериалы» Белгородской области.
Для внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве легкого бетона на основе ГНЗ пролонгированного действия разработаны следующие нормативные документы:
- технологический регламент по изготовлению гранулированного на-ноструктурирующего заполнителя на основе опоки Алексеевского месторождения;
- стандарт организации СТО 02066339-004-2011 «Заполнитель гранулированный наноструктурирующий на основе кремнеземных компонентов»;
- стандарт организации СТО 02066339-025-2011 «Бетон легкий на основе гранулированного наноструктурирующего заполнителя»;
- технологический регламент на производство мелкоштучных изделий на основе легкого бетона с применением ГНЗ.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке: инженеров по специальностям 270106, бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профиля «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по специальности 270108.68 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» профиля «Наносистемы в строительном материаловедении», что отражено в рабочих программах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка экспресс-метода определения активности кремнеземных компонентов как сырья для получения ГНЗ;
- разработка составов и изучение свойств ГНЗ на основе кремнеземного сырья различного генетического типа;
- проектирование составов и изучение свойств легкого бетона на основе ГНЗ;
- подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.
Научная новизна. Предложен принцип проектирования состава гранулированного наноструктурирующего заполнителя для легкого бетона с учетом активности кремнеземного сырья различного генетического типа. В качестве кремнеземного компонента ГНЗ для бетона, твердеющего при ТВО, рациональным является использование аморфизованного вещества преимущественно кристобалит-тридимитового состава. В качестве интегральной характеристики оценки свойств кремнеземного сырья (КС), с учетом установленной корреляции между показателем силикатного модуля и изменением активности кремнеземного компонента, предлагается использовать коэффициент активности, рассчитываемый по результатам испытаний, проводимых согласно предложенного экспресс-метода. Установлен характер влияния количества гидроксида щелочного металла в составе ядра ГНЗ и времени ТВО на объем синтезируемых растворимых полисиликатов с учетом активности кремнеземного компонента. Достаточными условиями являются температурная обработка при 85 °С в течение 1,5-2 ч. Показано, что рациональным является такое соотношение между кремнеземным компонентом и щелочью в составе ядра, при котором достигается максимальное значение силикатного модуля с нижней границей равной 1,5, а также максимальное значение коэффициента изменения активности. КС как компонент ГНЗ ранжировано по величине коэффициента активности на: высокоактивное 51-100 %, активное 21-50 %, малоактивное 5-20 %. Предложен механизм формирования контактной зоны ГНЗ с цементно-песчаной матрицей бетона, заключающийся в комплексе процессов: гидратация, щелочное растворение кремнезема, полимеризация и поликонденсация новообразованных полисиликатов. Первым этапом является частичная гидратация минералов портландцемента, образующих жесткий каркас между мелким заполнителем и неактивированным ГНЗ. В условиях тепловлажностной обработки (ТВО), на втором этапе, наряду с гидратацией, происходит активация содержимого ядра ГНЗ, заключающаяся в выщелачивании аморфного кремнезема и формировании растворов полисиликатов, с последующей их миграцией через оболочку ГНЗ в толщу бетона. Эпикристаллизационное модифицирование цементного камня ГНЗ пролонгированного действия приводит: к инкапсуляции минеральных частиц цементного камня и мелкого заполнителя гидрофобизирующим слоем функциональных эпигенетических 2Б-наносистем натросилита, обеспечивающей возникновение новых, в частности, гидрофобных свойств материала; монолитизации структуры мелкозернистого бетона при перколяции растворенного вещества, что ведет к снижению микропористости цементно-песчаной матрицы, и как следствие, к увеличению прочности и водостойкости мелкозернистого бетона в целом.
Экспериментально обоснована возможность использования портландцемента с добавкой шлака (ЦЕМ 11/А-Ш 32,5Б) в качестве оболочки ГНЗ. При формировании оболочки заполнителя в процессе грануляции силикат натрия в присутствии шлака, являющегося отвердителем, образует нерастворимые соединения, способствующие: пролонгации действия ГНЗ и увеличению адгезии ГНЗ к матрице.
Практическое значение работы. Разработан экспресс-метод определения активности кремнеземных компонентов как сырья для получения ГНЗ.
Расширен спектр и проведено ранжирование различных видов минерального сырья по степени эффективности его использования в качестве функционального компонента ГНЗ.
Разработаны составы и технология получения ГНЗ пролонгированного действия с плотностью 720-960 кг/м3 и прочностью при сжатии в цилиндре 0,32-0,98 МПа.
Предложены составы легкого бетона с применением ГНЗ из сырья различных генетических типов с плотностью 1549-1569 кг/м3, прочностью 11,35-11,79 МПа, теплопроводностью 0,31-0,42 Вт/(м∙К). Установлены зависимости основных физико-механических характеристик бетона от состава и количества ГНЗ.
Предложена технология производства изделий из легкого бетона на основе ГНЗ.
Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Экспериментальный цех «Экостройматериалы» Белгородской области.
Для внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве легкого бетона на основе ГНЗ пролонгированного действия разработаны следующие нормативные документы:
- технологический регламент по изготовлению гранулированного на-ноструктурирующего заполнителя на основе опоки Алексеевского месторождения;
- стандарт организации СТО 02066339-004-2011 «Заполнитель гранулированный наноструктурирующий на основе кремнеземных компонентов»;
- стандарт организации СТО 02066339-025-2011 «Бетон легкий на основе гранулированного наноструктурирующего заполнителя»;
- технологический регламент на производство мелкоштучных изделий на основе легкого бетона с применением ГНЗ.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке: инженеров по специальностям 270106, бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профиля «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», магистров по специальности 270108.68 «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» профиля «Наносистемы в строительном материаловедении», что отражено в рабочих программах.