Пенофибробетоны с применением микроупрочнителей и модифицирующих добавок

В последние годы, в связи с увеличением стоимости энергоресурсов, образовался устойчивый интерес к конструкционно-теплоизоляционным строительным материалам. Это позволит значительно улучшить энергоэффективность зданий, снизить капитальные затраты на строительство и отказаться от использования дополнительных теплоизоляционных материалов.

Одним из самых распространенных эффективных теплоизоляционных материалов является ячеистый пеноили газобетон. В настоящее время возрастает потребность в применении легких теплоизоляционных элементов ограждающих конструкций, обладающих необходимой прочностью на сжатие и растяжение, высокой трещиностойкостью и долговечностью. Этим требованиям в полной мере соответствуют дисперсно-армированные пенобетоны неавтоклавного твердения. В качестве армирующих бетонную матрицу компонентов наибольшее распространение получили полимерные и базальтовые фибровые волокна, которые, обладая малой плотностью, способствуют трехмерному повышению прочности и препятствуют образованию микротрещин.

Свойства каждого бетона тесно связаны с его структурой, которая, главным образом, обусловливается соотношением составляющих ее компонентов. На физико-механические свойства пенобетона оказывает влияние прочность межпоровых перегородок. При этом необходимо учитывать отрицательное воздействие на их прочность большого количества воды для затворения. Одним из путей увеличения прочности межпоровых перегородок является снижение водоцементного отношения, которое ведет к уменьшению капиллярной пористости материала и повышению его прочности.

Основываясь на проведенных ранее экспериментах, путем сравнения полиамидного, стеклянного, полипропиленового и базальтового волокна, установлено, что полипропиленовое и базальтовое волокно обладает рядом преимуществ. Применение высокодисперсных полимерных и базальтовых волокнистых наполнителей способствовало за счет высокой адгезии к цементной матрице увеличению прочностных характеристик тонких межпоровых прослоек в пенофибробетоне.

Установлена возможность улучшения физико-механических свойств пенофибробетонов за счет упрочнения структуры на микроуровне путем введения в пенобетонную массу аппретированных полых стеклянных микросфер или алюмосиликатных (керамических) полых микросфер. В настоящее время полые стеклянные и керамические микросферы использовались, в основном, для цементных тампонажных растворов, а применение их в пенофибробетонах находится в начальной стадии разработок, т. е. недостаточно изучено. Поэтому необходимо изучить влияние полых стеклянных микросфер на физико-механические свойства пенофибробетонов.

На основании анализа литературных данных по применению наномодификаторов различного происхождения выявлена необходимость проведения экспериментальных исследований по изучению влияния модифицирующих и наноуглеродных добавок на микрои наноструктуру пенофибробетона с целью улучшения его теплоизоляционных и механических свойств.

В соответствии с вышеизложенным, целью научных исследований является получение пенофибробетонов с использованием полимерных и базальтовых дисперсных волокон, микропористых наполнителей, а также суперпластификаторов и модифицирующих нанодобавок, направленное на увеличение их прочности и коэффициента конструктивного качества, а также повышение эффективности процесса приготовления сырьевой смеси.

В связи с поставленной целью необходимо выполнить следующий ряд задач:

1. Определить наиболее оптимальное содержание подобранных микроармирующих полимерных и базальтовых фибровых волокон и оценить их влияние на физико-механические свойства смеси.

2. Исследовать влияние современных отечественных пластифицирующих добавок совместно с различными пенообразователями, способствующих снижению водоотделения и нерасслаиваемости пенофибробетонной смеси для получения составов с максимальной прочностью.

3. Произвести оценку влияния полых стеклянных микросфер на свойства пенофибробетонов для снижения плотности пенофибробетона и увеличения прочностных характеристик на микроуровне.

4. Для установления зависимости показателей прочностных характеристик пенофибробетона на микрои наноуровне от совместного воздействия компонентов, входящих в его состав, произвести оценку влияния концентрации полых стеклянных микросфер в сочетании с подобранными суперпластификаторами и наноуглеродной добавкой.

5. Исследовать структуру образцов пенофибробетонов в микрои нанодиапазоне с помощью цифрового стереомикроскопа «Альтами LCD» и сканирующего зондового микроскопа «Nanoeducator (NT-MDT)».

6. Разработать новые составы и технологии приготовления конструкционно-теплоизоляционных пенофибробетонов с увеличением прочности и коэффициента конструктивного качества.

7. Для практического внедрения результатов исследований предложить ограждающий элемент с повышенными теплозащитными свойствами на основе разработанных составов пенофибробетона.

Научная новизна работы.

1. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено применение высокодисперсных волокнистых наполнителей, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер для повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет использования компонентов, упрочняющих структуру пенофибробетона на микрои наноуровне.

2. Экспериментально подтверждена возможность применения суперпластификаторов «81ка Л/ЪсоС^е 5−800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» и получения составов пенофибро-бетонов с максимальной прочностью.

3. Установлено влияние концентрации аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* в сочетании с разной концентрацией суперпластификатора «81ка УЬсоО^е 5−800», а также наноуглеродной добавки «Таунит» и суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4» на увеличение прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона.

4. Разработаны новые составы пенофибробетонной смеси и технология ее приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц суперпластификатора совместно с водой затворения и дополнительно вводимой наноуглеродной добавкой, что улучшило межчастичные электровзаимодействия на коллоидно-химическом уровне и способствовало повышению реакционной способности смеси при снижении водоцементного отношения.

Практическое значение работы.

1. Разработанный и запатентованный «Состав сырьевой смеси для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления» (Патент № 2 422 408 от 27.06.2011 г.), включающий микроупрочнители из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатор «81ка Х^БсоСгеге — 3» и многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8−40 нм и длиной 2−50 мкм способствует увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества пенофибробетона, приготовленного по предлагаемому способу.

2. Разработан ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 20×20×40 (см) на основе пенофибробетона с устройством в нем системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм. Установлено, что с увеличением количества воздушных экранов происходит уменьшение коэффициента теплопроводности экранированного блока без снижения прочности.

3. Внедрение результатов исследований осуществлялось при строительстве малоэтажных коттеджных зданий. Экономический эффект от применения новых составов пенофибробетонных блоков путем частичной замены стандартного силикатного кирпича и уменьшения толщины стены составил 54 000 руб. при общей площади теплоизолируемой поверхности 288 м².

Достоверность результатов.

— Изучение свойств разработанных составов пенофибробетонов проводилось при помощи современного оборудования и методик, включая приборы неразрушающего контроля для определения прочности (ультразвуковой прибор Пульсар-1.2.) и теплопроводности — «МИТ-1», которые отвечают нормативной документации и обеспечивают достоверность полученных результатов;

— применялись современные методы математической статистики для обработки экспериментальных данных с минимальной погрешностью;

— исследование микрои наноструктуры пенобетонных образцов производилось современным цифровым микроскопом «Альтами LCD» и сканирующим зондовым микроскопом Nanoeducator (NT-MDT).

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Четвертом Международном форуме по нанотехнологиям (5−7 октября, 2011 г. — Москва: ГК Роснанотех) — Международной неделе строительных материалов, посвященной 65-летию образования строительно-технологического факультета (2009г. — Москва: МГСУ) — 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона», (г. Михайловка, Волгоградской области, 22−23 октября 2009 г.) — Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (г. Волгоград, ВолгГАСУ, 2009 г., 2011 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (г.Волгоград, ВолгГУ, 2009 г.) — Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г.Белгород: БГТУ, 2010 г.) — 6-й Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград: ВолгГАСУ, 2011 г.) — 10-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г.Будапешт, 2012 г.) — Международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика». (г.Улан-Уде, 2012 г.) — Международном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность Волгограда» (г.Волгоград, 2012 г.). Публикации. Результаты диссертационной работы и выполненных исследований изложены в 13 публикациях, в том числе: 2 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях определенных ВАК, получен патент на изобретение РФ № 2 422 408 от 27.06.2011 г. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 138 наименований, и приложения. Содержит 161 страницу машинописного текста, в том числе 46 рисунков и 46 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Теоретически проанализировано применение высокодисперсных волокнистых наполнителей, суперпластификаторов, наноуглеродных добавок и полых стеклянных микросфер в ячеистых бетонах. Обоснована возможность повышения эффективности процесса получения модифицированной мелкозернистой фибробетонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет использования компонентов, упрочняющих структуру пенофибробетона на микроуровне.

2. Установлены основные физико-механические и химические свойства сырьевых компонентов применяемых пенофибробетонных смесей. Изучение свойств разработанных составов пенофибробетонов проводилось при помощи современных приборов разрушающего и неразрушающего контроля, а также методик, которые отвечают нормативной документации и обеспечивают достоверность полученных результатов. Исследование микроструктуры пенофибробетонных образцов производилось цифровым микроскопом «Альтами LCD» и сканирующим зондовым микроскопом Nanoeducator (NT-MDT).

3. Определено наиболее рациональное содержание фибровых волокон в бетонной смеси. Оптимальными являются составы фибробетона с концентрацией полипропиленовой фибры, составляющей 0,9 кг/м3, а базальтовой фибры — 1,0 кг/м3, которые приводят к максимальному увеличению прочности. Дальнейшее увеличение расхода фибры приводит к снижению прочности, а также к увеличению плотности.

4. В результате проведения исследований установлено, что по сравнению с другими пластифицирующими добавками применение суперпластификаторов «Sika ViscoCrete 5−800» и «ПОЛИПЛАСТ СП-4» вместе с пенообразователями «ПБ-2000» и «ПО-6» способствует получению составов пенофибробетонов с максимальной прочностью. При использовании этих добавок удалось понизить водоотделение и, как следствие, избежать расслаиваемости пенофибробетонной смеси.

5. Проведена оценка влияния аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* на свойства пенофибробетонов. Анализ результатов испытаний показал, что максимальную прочность показали составы, в которых концентрация аппретированных полых стеклянных микросфер составляла 50% и 100%. При использовании полых стеклянных микросфер и нанодобавки «Таунит», а так же фибровых волокон удалось снизить плотность пенофибробетона, при этом увеличить прочностные характеристики и трещиностойкость на микроуровне.

6. Для установления зависимости показателей прочностных характеристик пенофибробетона от совместного воздействия компонентов, входящих в его состав, был составлен математический план проведения полного 2-х факторного эксперимента. Проведена оценка влияния концентрации аппретированных полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9* в сочетании с разной концентрацией суперпластификатора «81ка Л^соС^е 5−800», а так же влияние наноуглеродной добавки «Таунит» и суперпластификатора «ПОЛИПЛАСТ СП-4».

7. Проведенный микроскопический анализ образцов пенофибробетонов показал, что в исследуемых образцах наблюдается более равномерная упорядоченная микроструктура с большим количеством мелких упорядоченных замкнутых воздушных пор, образованных, в основном, наличием большого количества достаточно прочных полых стеклянных микросфер. Промежуточное пространство между указанными воздушными прослойками скреплено достаточно прочными фибро-армированными перегородками цементной матрицы.

8. Разработан и запатентован новый состав пенофибробетонной смеси и технология ее приготовления, включающая предварительную обработку в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц суперпластификатора совместно с водой затворения и дополнительно вводимой наноуглеродной добавкой. Применение нанодобавки «Таунит» улучшило межчастичные электровзаимодействия на коллоидно-химическом уровне, что способствовало повышению реакционной способности смеси при снижении водоцементного отношения. В результате образуется упрочненная микроструктура межпоро-вых перегородок цементного камня, что наряду с применением в составе сырьевой смеси дисперсной арматуры из полимерных и базальтовых волокон, суперпластификатора «Б1ка У1БСоСге1е — 3» способствует увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов, приготовленных по предлагаемому способу.

9. Предложен ограждающий элемент в виде блока стандартных размеров 20×20×40 (см) с повышенными теплозащитными свойствами на основе пенофибробетона с использованием полипропиленовых волокон. Изготовлены пенофибробетонные блоки с устройством в них системы параллельных воздушных прослоек толщиной 5 мм. Установлено, что с увеличением количества воздушных экранов происходит уменьшение коэффициента теплопроводности экранированного блока без снижения прочности. Наличие трех возЛ душных экранов в блоке с плотностью 600 кг/м уменьшает коэффициент теплопроводности в 1,4 раза, а в блоке с плотностью 500 кг/м в 1,3 раза по сравнению с полнотелым пенофибробетонным блоком.

10. Получен экономический эффект от применения новых составов пе-нофибробетонных блоков путем частичной замены стандартного силикатного кирпича и уменьшения толщины стены. Это позволит значительно улучшить энергоэффективность зданий, снизить капитальные затраты на строительство и отказаться от использования дополнительных теплоизоляционных материалов.