Пенобетоны неавтоклавного твердения на основе добавок наноразмера

На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВА Наталья Николаевна

ПЕНОБЕТОНЫ НЕАВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

НА ОСНОВЕ ДОБАВОК НАНОРАЗМЕРА

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт – Петербург

2010

Работа выполнена на кафедре «Инженерная химия и естествознание» ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель –	кандидат технических наук, доцент Сычева Анастасия Максимовна (ГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»)
Официальные оппоненты –	доктор технических наук, профессор Грызлов Владимир Сергеевич (ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет») кандидат технических наук, доцент Ромащенко Наталия Михайловна (Военно-транспортный институт железнодорожных войск и военных сообщений (филиал) Военной академии тыла и транспорта им. генерала армии А.В. Хрулева)
Ведущая организация –	ФГОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится «28» декабря 2010г. в 16:00 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний (ауд.219).

Телефакс: (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Ю.Н. Казаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы связана с необходимостью повышения основных технико-эксплуатационных характеристик неавтоклавных пенобетонов: прочности, категории качества, теплозащитности и долговечности, которые взаимосвязаны со свойствами пен, такими как устойчивость.

Среди идей повышения качества пенобетона могут быть выделены следующие: стабилизация пены с использованием добавок - стабилизаторов пены, а также обработка поверхности готовых пенобетонных изделий веществом, взаимодействующим с составляющими пенобетонного камня. В этой связи применение неорганических добавок наноразмера обосновано тем, что суммарная удельная поверхность их частиц наиболее близко соответствует толщине пленки пены, что важно и при стабилизации, и при обработке поверхности готовых пенобетонных изделий. Предлагаемая работа посвящена исследованию влияния стабилизации пены и обработки поверхности пенобетона добавками наноразмера на свойства пенобетонов и выполнена в продолжение и развитие современных трудов ученых отечественных школ С-Петербурга, Белгорода, Воронежа, Уфы, Ростова на Дону, Пензы, Москвы, Екатеринбурга, Магнитогорска, зарубежных - Алма-Аты и др.

Работа выполнена при поддержке гранта № 3.13/04-05/022 Правительства Санкт-Петербурга.

Цель работы состояла в повышении физико-механических и физико-технических свойств неавтоклавных пенобетонов путем стабилизации пены и обработкой их поверхности добавками наноразмера.

Для достижения поставленной цели следовало решить следующие задачи:

- исследовать физико-механические и физико-технические свойства пенобетонов на основе стабилизированной пены и добавок-активаторов твердения;

- дать теоретическое обоснование стабилизации пены при использовании добавок наноразмера;

- дать теоретическое обоснование и исследовать физико-механические свойства неавтоклавного пенобетона при обработке его поверхности добавками наноразмера;

- произвести апробацию полученных результатов исследования в промышленных условиях, осуществив выпуск опытно-промышленных партий пенобетона.

Научная новизна работы

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность стабилизации пены на протеиновой основе добавками наноразмера за счет образования пространственных кремне- и железопротеиновых комплексов, увеличивающих толщину пленки пены. Экспериментально доказано, что в случае стабилизации возрастает устойчивость пены, а также коэффициент стойкости пены в цементом тесте, что позволяет использовать добавки-ускорители без ее разрушения.
2. Установлено, что в присутствии стабилизированной пены отсутствует осадка пенобетонной смеси. Это позволяет получить теплоизоляционный пенобетон средней плотности D200 с пониженным коэффициентом теплопроводности.
3. Экспериментально доказано, что применение добавок-ускорителей – фторида натрия NaF, хлорида натрия NaCl и комплексной добавки на их основе – позволяет значительно улучшить прочность на сжатие и растяжение при изгибе, морозостойкость, теплопроводность, усадку при высыхании, а также категорию качества получаемых изделий из пенобетона средней плотности D400…D600 на основе стабилизированной пены. Установлено, что значения этих характеристик соответствуют нижней границе свойств автоклавных пенобетонов.
4. Экспериментально доказано, что в основе повышения категории качества пенобетонных изделий при обработке их поверхности добавками наноразмера лежит увеличение твердости поверхности, связанное с взаимодействием составляющих каменного скелета пенобетона с вводимыми добавками наноразмера.

Практическая ценность работы

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований были получены теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные пенобетоны средних плотностей D200, D400…D600 на основе стабилизированной пены с улучшенными физико-механическими и физико-техническими свойствами.

2. Установлены границы концентраций используемых добавок наноразмеров, при которых устойчивость полученной пены возрастает до четырех раз, а коэффициент стойкости пены в цементном тесте до 0,98. При приготовлении теплоизоляционного пенобетона средней плотности D200 на основе стабилизированной пены осадка смеси снижается до нуля, при этом значение коэффициента теплопроводности пенобетона составляет 0,04 Вт/(м0С).

3. Установлено, что стабилизированная пена не разрушается в пенобетонной смеси при применении добавок – электролитов и комплексной добавки на их основе. При этом, в возрасте 28 суток прочность на сжатие пенобетона средней плотности D400… D600 повышается до 50%, прочность на растяжение при изгибе более чем на 60%, марка по морозостойкости повышается до F35, количество выпускаемой продукции первой категории качества увеличивается на 23%, значение коэффициента теплопроводности снижается на один класс по средней плотности.

4. Установлены границы концентраций используемых добавок наноразмеров при которых обработка поверхности изделий из пенобетона средней плотности D400… D600 приводит к росту твердости поверхности до 29% и росту количества получаемых изделий первой категории качества до 20%, за счет улучшения геометрии пенобетонных изделий.

5. Внедрение результатов предложенной работы осуществлено на мини-заводах по производству неавтоклавного пенобетона в г. Старый Оскол, ООО «Пенобетонные технологи СОТИМ» и в г. Старая Русса, ООО «Декор-Строй». На территории этих заводов выпущены опытные партии неавтоклавного пенобетона различных средних плотностей на основе стабилизированной пены, а также изделия с обработанной добавками наноразмера поверхностью. Акты испытаний приведены в диссертации. Новизна решений диссертации защищена 4 патентами РФ, материалы диссертации используются в учебном курсе для строительных специальностей, по материалам диссертации создан проект ТУ.

На защиту выносятся:

- обоснование эффективности стабилизации пены добавками наноразмера с целью использования добавок-ускорителей и значительного улучшения физико-механических и физико-технических характеристик пенобетонов средней плотности D200, D400…D600, а также механизмы стабилизации пены;

- результаты оценки физико-механических характеристик пенобетонных изделий при обработке их поверхности добавками наноразмера, а также механизмы влияния добавок наноразмера на поверхность изделий при ее обработке;

- апробация результатов исследований в промышленных условиях с выпуском партий пенобетонных изделий на основе стабилизированной пены и добавок-ускорителей, а также с обработанной добавками наноразмера поверхностью.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Пенобетон 2007» (СПб, ПГУПС, июнь 2007 г.), на научно-технических конференциях «Неделя науки 2008, 2009 гг. «Шаг в будущее» (СПб, ПГУПС, 2008-09 гг.), на XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (май 2008 г.), на III Международной научно- практической конференции «Популярное бетоноведение» (СПб, 2009), на IV международной научно-технической конференции «Композиционные материалы», посвященной 80-летию чл.-корр. АН Украины Пащенко А.А. (Киев, май 2009), на XVII международной конференции IBAUSIL (Германия, Веймар, сентябрь 2009 г.), на I международной научно-технической конференции НОР секция «Нанотехнологии в строительном материаловедении» (СПб, 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ в международных и отраслевых журналах и изданиях, в том числе 3 по списку, рекомендуемому ВАК РФ, 4 патента РФ и одна монография.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением современных инструментальных методов: дифференциально-термического, рентгенофазового методов, методов ртутной порометрии и инфракрасной Фурье-спектроскопии, а также хорошей сходимостью данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях.

Объем диссертации. Диссертация изложена на 130 страницах, состоит из введения, 5 глав, списка используемой литературы из 112 наименований, 6 приложений, 39 рисунков, 22 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении указана актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, указана научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержатся литературный обзор в основном работ отечественных ученых в области исследования ячеистых бетонов, постановка цели и задач работы, методы и методики исследования.

В разделе, содержащем постановку цели и задач работы, сформулирована научная гипотеза о возможности физико-химического управления свойствами пенобетона путем стабилизации пены и обработки его поверхности добавками наноразмера.

В последнее десятилетие в ПГУПС развиваются знания о влиянии добавок наноразмера в виде золей кремниевой кислоты и гидроксида железа (III) на свойства бетонов, в том числе пенобетонов, но вопросы повышения физико-механических и физико-технических свойств пенобетонов путем стабилизации пены не рассматривались. Исходя из общенаучных представлений, в работе сделано предположение об образовании в системе «раствор протеинового пенообразователя – золь неорганической природы» пространственных кремне- и железопротеиновых комплексов. Это может приводить к эффекту стабилизации пены и сохранению в материале вносимого с ней воздушного объема, который влияет на свойства пенобетонных изделий. При этом становится возможным введение активирующих твердение цемента добавок – электролитов и комплексных добавок на их основе без разрушения пены.

Кроме того, улучшение поверхности готовых пенобетонных изделий вносит самостоятельный вклад в такие свойства пенобетонов, как, например, категории качества изделий, которая основана на их геометрической точности. В этом случае обработка поверхности добавками наноразмера может приводить к образованию защитного поверхностного слоя, улучшающего в целом свойства пенобетона и изделий из него.

В таблице 1 показано ожидаемое влияние стабилизации пены и обработки поверхности золями кремниевой кислоты и гидроксида железа (III) на физико-механические и физико-технические свойства пенобетона.

Таблица 1

Предполагаемое влияние стабилизации пены и обработки поверхности пенобетона добавками наноразмера на свойства пенобетона и изделий из него

	Система 1: «раствор пенообразователя - добавка наноразмера»			Система 2: «поверхностный слой пенобетона - добавка наноразмера
Стабилизатор		Предполагаемое влияние на свойства пенобетона и изделий из него	Механизм взаимодействия и образование стабилизирующего комплекса	Предполагаемое влияние на свойства пенобетона и изделий из него	Механизм взаимодействия вводимого золя и поверхности пенобетона
Золь кремниевой кислоты		1. повышение устойчивости пены, коэффициента стойкости пены в цементном тесте и сохранение объема пенобетонной смеси; 2. возможность применения активирующих добавок-электролитов для повышения прочности на сжатие и растяжение при изгибе, морозостойкости изделий; 3. повышение категории качества изделий; 4. снижение коэффициента теплопроводности пенобетона.	Кремнепротеиновый комплекс	1. повышение твердости поверхности; 2. повышение категории качества изделий за счет улучшения его геометрии, что повышает теплозащитные свойства кладки стены из таких изделий; 3. повышение коррозионной устойчивости пенобетона за счет связывания Ca(OH)2 каменного пенобетонного каркаса в новообразования;	Образование гидросиликатов при взаимодействии mSiO2zH2O с Ca(OH)2, по схеме: nCa(OH)2+mSiO2zH2O nCaOmSiO2zH2O
Золь гидроксида железа (III)			Железопротеиновый комплекс		Образование гидроферритов при взаимодействии Fe(OH)3 с Ca(OH)2, по схеме: nCa(OH)2+mFe(OH)3 nCaO mFe2O3zH2O

Во второй главе исследовалось влияние стабилизации пены золем кремниевой кислоты на свойства теплоизоляционного пенобетона средней плотности D200. Состав пенобетона приведен в табл. 2. В качестве заполнителя в работе был применен доломитизированный известняк, согласно рекомендациям работ Шаховой Л.Д. и Чернакова В.А.

Таблица 2

Расход материалов на 1м3 пенобетона средней плотности D200

Цемент, кг	Заполнитель, кг	В/Т	Пенообразователь, л	Дисперсная фаза стабилизатора, SiO2, гр
125	45	0,60	2,52	100…500

Для теплоизоляционных пенобетонов одной их существенных проблем является уменьшение объема пенобетонной смеси в процессе твердения, что ведет к отклонению от запроектированной средней плотности (осадка смеси) и неравномерности структуры материала, что, в свою очередь оказывает негативное влияние на свойства материала. Для оценки устойчивости пенобетонной смеси была измерена осадка смеси в начальный период твердения. Установлено, что при использовании стабилизированной пены осадка пенобетонной смеси уменьшается до нуля при содержании дисперсной фазы золя в диапазоне 0,2…0,4 % от массы цемента (рис.1а). Также в ходе исследований было установлено, что для пенобетонной смеси на основе стабилизированной пены возможно применение кварцевого песка с размером зерен не более 0,63 мм в качестве заполнителя, что позволяет использовать невостребованный песок мелкой фракции.

а) Зависимость осадки пенобетонной смеси от содержания дисперсной фазы золя кремниевой кислоты	б) Монолитный пенобетон средней плотности D200 на основе стабилизированной пены