Структура та властивості полістиролбетону з мікросферним наповнювачем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія будівництва та архітектури

УДК 620.18:666.7

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Структура та властивості полістиролбетону з мікросферним наповнювачем

05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

Холдаєва Марія Іванівна

Одеса - 2010

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Керш Володимир Яковлевич, Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри «Міське будівництво та господарство».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Нетеса Микола Іванович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім.академіка В.Лазаряна, завідувач кафедри «Будівельне виробництво та геодезія».

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Лаповська Світлана Давидівна, Державне підприємство "Український науково-дослідний інститут будівельних матеріалів та виробів "НДІБМВ" Мінрегіонбуду України, зав. лабораторією.

Захист дисертації відбудеться « 09 » березня 2010 року о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 4.

Автореферат розісланий « 09 » лютого 2010р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 кандидат технічних наук, доцент В.М. Карпюк

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У практиці сучасного будівництва одним з найважливіших завдань є забезпечення якісного теплозахисту будівель. До найбільш ефективних конструкційно - теплоізоляційних матеріалів разом з ніздрюватими бетонами можна віднести полістиролбетон (ПСБ).

До переваг полістиролбетону, порівняно з іншими конструкційно - теплоізоляційними матеріалами, можна віднести задовільні міцнісні характеристики при низькій щільності, знижену теплопровідність та сорбційну вологість, покращені показники водонепроникності, морозостійкості, хімічної і біологічної стійкості. Полістиролбетон пожежно безпечний та нетоксичний матеріал. У порівнянні з ніздрюватими бетонами, полістиролбетон менш чутливий до коливань рецептури і технології.

Основним недоліком полістиролбетону є розшаровування суміші, яке зумовлене низькою адгезією цементу до пінополістиролу. Ця технологічна проблема зазвичай вирішується введенням до складу суміші кремнеземного наповнювача. Підвищення щільності матеріалу, при цьому, супроводжується погіршенням теплозахисних властивостей.

Одним з напрямків вирішення цієї проблеми є повна або часткова заміна кварцового наповнювача зольними порожнистими мікросферами. Інший напрям базується на використанні інформації про вплив макроструктурних параметрів полістиролбетону на його міцнісні, теплозахисні та інші фізико-механічні характеристики для розробки рекомендацій щодо управління оптимальним структуроутворенням.

Дослідження, спрямовані на поліпшення теплозахисних та інших фізико-механічних властивостей полістиролбетону шляхом направленого структуроутворення за рахунок рецептурних факторів є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження виконувалися згідно з напрямами реалізації "Програми науково-технічного розвитку Одеської області на період до 2012 р." в рамках науково-технічного проекту "Ресурсозберігаючі технології та ефективні будівельні матеріали і вироби", а також відповідно до держбюджетної науково-дослідної теми за замовленням Міністерства освіти і науки України "Направлена організація структури будівельних композитів з підвищеними експлуатаційними властивостями" (№ 0108U000560, 2009 р.).

Мета роботи: поліпшення фізико-механічних властивостей полістиролбетону шляхом направленого структуроутворення за рахунок рецептурних факторів.

Задачі дослідження:

- вивчити вплив мікросфер на властивості полістиролбетону;

- дослідити вплив пластифікуючих і повітровтягувальних добавок на властивості полістиролбетону;

-виділити в полістиролбетоні впливові елементи структури і розробити алгоритм розрахунку їхнього об'ємного вмісту;

- встановити залежність властивостей полістиролбетону від вмісту структурних елементів;

- дослідити вплив внутрішніх поверхонь розділу полістиролбетону на властивості матеріалу;

- виконати компромісну оптимізацію структури і властивостей полістиролбетону.

Об'єкт досліджень - теоретичні і фізичні моделі псевдоніздрюватої структури, а також зразки полістиролбетону щільністю від 500 до 700 кг/м³ і відповідні їм за складом, але без пінополістирольного заповнювача, зразки твердого розчину, що імітують міжпоровий матеріал.

Предметом дослідження є аналіз взаємозв'язків у системі «склад - структура - властивості» полістиролбетону.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження, виконані за допомогою стандартних і спеціальних методів з використанням атестованих засобів вимірювальної техніки і випробувального устаткування. Визначення структурних параметрів виконано із застосуванням експериментально-розрахункових методів. Для обробки і аналізу результатів експериментів застосовані методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- обґрунтовано та експериментально підтверджено доцільність введення в полістиролбетонну суміш в якості наповнювача порожнистих зольних мікросфер, встановлені їхня оптимальна кількість і співвідношення розмірів;

- обґрунтовано і експериментально підтверджено необхідність введення в полістиролбетонну суміш пластифікуючих та повітровтягувальних добавок, встановлені найбільш ефективні добавки та їхні оптимальні дозування;

- виділені структурні елементи і розроблений алгоритм розрахунку їхнього об'ємного вмісту у полістиролбетоні;

- виявлені і проаналізовані залежності фізико-механічних властивостей полістиролбетону від параметрів структури;

- встановлені залежності теплофізичних і міцнісних властивостей полістиролбетону від вмісту компонентів суміші;

- виявлена раціональна зона зміни рецептурних факторів, що забезпечують отримання полістиролбетону з поліпшеними властивостями.

Практичне значення отриманих результатів.

- розроблений технологічний регламент виробництва полістирол- бетонної суміші та дрібно-штучних стінових блоків з полістиролбетону;

- запропонований склад конструкційно-теплоізоляційного полістиролбетону середньою щільністю 500-550 кг/м³ з покращеними механічними і теплозахисними властивостями (Патент 39515, Україна, МПК 2009, С 04 В 14/02 «Суміш для приготування полістиролбетону»);

- на основі запропонованого складу полістиролбетону виконано зведення стін двоповерхових будівель загальною площею 450 м².

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні експериментальних досліджень, обробці і інтерпретації отриманих даних, розробці нормативно-технічної і технологічної документації, впровадженні результатів досліджень у виробництво з визначенням техніко-економічної і фізико-механічної ефективності запропонованих рішень. Окремі складові експериментальних досліджень, а також впровадження результатів дисертаційної роботи, розробка технологічного регламенту і технічних умов виконані у співавторстві та викладені у списку публікацій.

Апробація результатів роботи здійснена на міжнародних наукових семінарах і конференціях: МОК-46 (Одеса - 2007), МОК-47 (Одеса - 2008), науково-технічному семінарі „Структуроутворення, міцність та руйнування композиційних будівельних матеріалів і конструкцій” (Одеса - 2006, 2009р.), третій Всеукраїнській науково-технічній конференції «Сучасні технології бетону». (Київ - 2009р.), науково-практичній конференції ДП «НДІБМВ» «Енергозбереження у будівництві» (Київ - 2009р.), науково-технічних конференціях ОДАБА (Одеса -2008, 2009р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано в 10 друкарських робіт, зокрема 5 - у наукових виданнях, перелік яких затверджений ВАК України і 5 статті в збірниках міжнародних науково-технічних конференцій, семінарів і симпозіумів.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, основної частини (4 розділи), висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Дисертація викладена на 172 сторінках, з яких 140 сторінок основного тексту, 51 рисунок, 25 таблиць, список використаної літератури з 145 найменувань на 10 сторінках, 20 сторінок додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, розкрито їхню наукову новизну, визначено практичну цінність отриманих результатів, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі подається огляд відомих наукових робіт, присвячених дослідженню та вивченню структури і властивостей легких бетонів на пористих заповнювачах.

Виконаний аналіз літературних джерел (Меркін А.П., Горлов Ю.П., Сахаров Г.П., Милых Т.И., Бурангулов Р.И., Довжик В.Г., Носков О.С., Рахманов В.А., Амханицкий Г.Я., Чиненков Ю.В., Ярмаковский В.Н. та ін.) дозволив узагальнити та систематизувати інформацію про структуру, властивості та способи отримання легких бетонів на надлегких заповнювачах та полістиролбетону.

Традиційно розглядають вплив рецептурних і технологічних факторів на кінцеві властивості бетону: теплозахисні, міцнісні та інші. В той же час, особливості формування структури і впливу структурних характеристик легких бетонів на їхні теплозахисні властивості поки-що розкриті не в повній мірі, хоча резерв зниження теплопровідності за рахунок раціональної організації структури пористих матеріалів досягає 15 - 25%.

Проте роботи в цьому напрямі стримуються із-за трудомісткості структурних досліджень і недостатньої методичної, метрологічної та апаратурної бази.

Полістиролбетон є двофазною системою, що складається із спінених гранул пінополістиролу і цементної матриці. Формування його, так званої, псевдоніздрюватої структури (макроструктури) здійснюється полідисперсними гранулами пінополістиролу, які можна розглядати як псевдогазові осередки (вміст повітря у них досягає 97% і більше). Мікропористість матеріалу визначається водотвердим відношенням.

Відомо, що теплозахисні властивості полістиролбетону визначаються характером його структури, яка спрощено представляється у вигляді взаємопов'язаної системи - власне пор (газових, капілярних, контракційних, гелевих) та твердої складової - міжпорових перегородок. Аналіз наявної наукової інформації дозволив припустити, що основним структурним елементом, який визначає міцнісні і теплозахисні властивості полістиролбетону, є тверда складова, певним чином розподілена в об'ємі матеріалу у вигляді міжпорових перегородок, які складені з теплопровідних у різній мірі часток в`яжучого та наповнювача. Характер теплопередачі у кожній з цих структур принципово відрізняється. Заміна більш теплопровідних часток наповнювача на менш теплопровідні дозволить поліпшити теплозахисні характеристики полістиролбетону.

Викладенні вище судження дали можливість визначити напрямок досліджень та запропонувати робочу гіпотезу: повна або часткова заміна кварцового наповнювача порожнистими зольними мікросферами повинна суттєво знизити щільність і теплопровідність полістиролбетону, а накопичення інформації про вплив структурних елементів на властивості полістиролбетону дасть змогу оптимізувати склад та структуру матеріалу.

В другому розділі приводиться блок-схема дослідження, що представляє собою алгоритм, який дозволяє на базі математичної теорії планування експерименту виготовити дослідні зразки, інтерпретувати результати, виконати оптимізацію та прийняти рішення за отриманими поліномінальнимі моделями.

В якості в'яжучого при виготовлені дослідних зразків полістиролбетону та його твердої частини використовували клінкерний цемент виробництва ЗАТ „Одесацемент”, мелений у лабораторних умовах, та портландцемент марки М 500. Заповнювачем служать спінені гранули полістиролу, наповнювачем - алюмосилікатні мікросфери. Використані пластифікуючи та повітровтягувальні добавки вітчизняного та зарубіжного виробництва.

Для отримання максимально об'єктивної інформації обрана багатоступенева послідовність експериментів. На стадії пошукових експериментів досліджені властивості сировинних матеріалів і сумішей розчинів на базі однофакторних залежностей. Вивчено сумісний вплив компонентів на властивості полістиролбетону у планованих експериментах. На кожному рівні уточнювалися впливові чинники і межі їхньої зміни. В ході основного експерименту за трьохфакторним планом виготовлена серія дослідних зразків і виконаний комплекс досліджень фізико-технічних властивостей.

Теплозахисні властивості полістиролбетону визначалися методом плоского теплового імпульсу, міцності і вологості - стандартними методами.

Розповсюдження теплового потоку у прозорому середовищі з включеннями різної природи і форми спостерігалося із застосуванням поляризаційно - оптичного методу. Інтерпретацію результатів і вибір оптимізаційних рішень виконано із застосуванням способу експериментально-статистичного моделювання та елементів обчислювального експерименту.

Третій розділ присвячений аналізу впливу рецептурних факторів на фізико-механічні властивості полістиролбетону.

В'яжуче. Встановлено, що міцність полістиролбетону підвищується із збільшенням міцності цементної матриці, що пояснює необхідність застосування високоактивних цементів. Для подальших досліджень прийнято цемент марки 500 без добавок.

Заповнювач. На відміну від мінеральних заповнювачів, пінополістирол задається не по масі, а за об'ємом. Отже, можна задати об'єм пор і, відповідно, щільність матеріалу.

При підвищені об'ємного вмісту пінополістиролу (ППС) від 0,7 до 1 м³ на 1м³ щільність матеріалу знижується з 642 кг/м³ до 478 кг/м³. Зі зниженням щільності знижується і теплопровідність матеріалу з 0,291 Вт/м·К до 0,122 Вт/м·К.

Слід відмітити, що полістирол, практично, не змочується водою, тобто поверхня його гідрофобна. Знижена адгезія цементного розчину до полістиролу призводить до розшарування бетонної суміші, тому одним із шляхів поліпшення якості полістиролбетону є підвищення гідрофільності гранул полістиролу.

Наповнювач. Відповідно до робочої гіпотези вирішено замінити кварцовий пісок порожнистими алюмосилікатними мікросферами. Основою для ухвалення рішення послужили поляризаційно-оптичні спостереження за розповсюдженням теплового потоку в прозорих моделях з більше теплопровідними (метал) та менше теплопровідними (пінопласт) включеннями. Гранули пінополістиролу гальмують просування теплового фронту, примушуючи тепловий потік рухатись по більш теплопровідній матриці. Аналогічний вплив проявляють порожнисті мікросфери, включені в міжпорові перегородки, які також є перешкодою для теплового потоку. Виготовлена серія цементних зразків, до складу яких включені мікросфери у кількості від 10 до 80% від об'єму цементу. Дослідження показують, що теплопровідність матеріалу міжпорових перегородок падає зі збільшенням вмісту мікросфер.

При введенні мікросфер у цементну матрицю в кількості 10% від об'єму спостерігалося збільшення міцності на стиск на 22% у порівнянні з контрольним зразком. Подальше підвищення вмісту мікросфер до 80% веде до зниження міцності у порівнянні з контрольним зразком.

Експериментально перевіряли вплив різного фракційного складу мікросфер на міцність полістиролбетону. Досліджували вплив трьох різних фракційних складів: 0 -0,076 мм, - дрібні, «д»; 0,15 - 0,25мм, - крупні, «к»; д/к - суміш дрібних та крупних в співвідношенні 1/1.

Виявлено, що раціональним з точки зору міцності, є введення суміші дрібних і крупних мікросфер. Дрібні мікросфери є більш сприятливими для міцності матеріалу перегородок у порівнянні з крупною фракцією, утворюючи більш щільну структуру каменю.

Встановлено, що мікросфери сприяють залученню повітря приблизно до 3%. Введення мікросфер підвищує водопотребу суміші, тому для зниження витрати води доцільне використання пластифікуючих добавок.

Пластифікуючі добавки. Проведені порівняльні випробування ряду вітчизняних і зарубіжних пластифікаторів. Міцність бетонів з пластифікуючою добавкою виявилася вищою за міцність еталону без добавок на 40-80 % (рис.4). мікросфера полістиролбетон пластифікуючий добавка

Найбільший пластифікуючий ефект (у межах концентрацій, що вказані виробниками) встановлений при використанні добавки "FK 63.30", яка прийнята для подальших досліджень. Вміст пластифікуючої добавки прийнято на рівні 0,15%. Введення пластифікатора призводить до збільшення щільності, отже до зменшення об'єму суміші у порівнянні із сумішшю без добавок, на 4 - 5%. Тому було прийнято рішення про введення до складу ПСБ повітровтягувальної добавки.

Повітровтягувальні добавки. Втягування до цементної матриці повітря веде до зниження щільності міжпорових перегородок. При цьому утворюються замкнуті пори середнім діаметром 0,01 - 0,2мм, котрі, як резервні, можуть підвищити морозостійкість матеріалу. Додатковими ефектами є хороша зв'язність суміші та ії зручноукладність.

Досліджені різні вітчизняні та імпортні добавки. Встановлено, що введення повітровтягувальноі добавки у концентрації від 0,5% до 1,5% (від маси сухих речовин суміші) сприяє підвищенню об'єму залученого повітря, проте подальше збільшення концентрації до 2% не призводить до помітної зміни повітровтягування. Повітровтягувальна здатність добавки CentramentAir у 3 - 4 рази вища, а середній розмір пор - в 1,5 - 2 рази менший у порівнянні з іншими добавками. Цим зумовлений вибір повітровтягувальної добавки Centrament Air для проведення подальших досліджень.

Введення повітровтягувальної добавки знижує міцність ПСБ у 2 рази. При сумісному з пластифікуючою добавкою введенні вони надають компенсуючу дію одна одній (рис.4). Введення пластифікуючої добавки компенсує вплив повітровтягувальної добавки, зберігаючи міцність матеріалу, приблизно, на рівні еталону без добавок. При цьому зберігаються позитивні ефекти дії кожної з них.

Вплив хімічних добавок на змочуваність пінополістиролу вивчено експериментально. Встановлено, що всі досліджені добавки підвищують змочуваність полістирольних гранул; добавка «Centrament air» - підвищує гідрофільність при незначному зниженні міцності, добавка «FK 63.30» - підвищує міцність у системі полістирол-цемент-вода.

У трьохфакторному експерименті при фіксованому вмісті пластифікуючої добавки 0,15% та об'ємному вмісті пінополістирольного заповнювача, прийнятому на рівні 0,87 м³/м³ полістиролбетону, змінювалися такі фактори: кількість мікросферного наповнювача - (5, 15, 25% від об'єму цементу), гранулометричний склад наповнювача (дрібні - 0,076мм; д/к - у співвідношенні 1/1; крупні - більш 0,15мм), а також кількість повітровтягувальної добавки (від 0,5 до 1,5% від маси цементу).

За планом В3 виготовлено серію дослідних зразків 15 різноманітних складів щільністю 500 - 700 кг/м³ та визначені їхні міцнісні властивості, теплопровідність, сорбційна вологість, водопоглинання і вологісна усадка.

Характер і ступінь впливу рецептурних факторів на теплофізичні і механічні властивості полістиролбетону вивчені із застосуванням математичного моделювання. Побудова й статистичний аналіз експериментально-статистичних (ЕС) моделей виконаний із застосуванням діалогової системи COMPEX, розробленої на кафедрі ПАТБМ ОДАБА.

Встановлено, що найбільший вплив на теплопровідність та міцність надає вміст мікросфер. Теплопровідність стабільно знижується із зростанням вмісту мікросфер (рис. 5а). Впровадження мікросфер у цементні перегородки у кількості 5 - 10 % перерозподіляє статичні навантаження і веде до підвищення міцності. При подальшому підвищенні кількості мікросфер міцність падає (рис. 5б). Менший і приблизно однаковий за значенням вплив на вказані властивості у дослідженому діапазоні надають співвідношення розмірів мікросфер і кількість повітровтягувальної добавки.

У четвертому розділі встановлено вплив структури полістиролбетону на його фізико-механічні характеристики; вивчено вплив рецептурних факторів на формування структурних елементів; виконана оптимізація структури і властивостей полістиролбетону.

В якості структурних елементів, що відповідають за формування структури та фізико-механічних властивостей полістиролбетону запропоновано вважати:

- заповнювач - сферичні гранули пінополістиролу;

- наповнювач - порожнисті мікросфери;

- капіляри і мікротріщини різної природи (мікропори);

- повітряні пори, утворені за рахунок затягування повітря при введенні мікросфер та повітровтягувальної добавки;

- власне тверду складову міжпорових перегородок - цементний камінь.

Об'єми, займані заповнювачем - спіненими гранулами пінополістиролу та наповнювачем - мікросферами, розраховані на підставі попередніх експериментів по визначенню порожнистості гранул і мікросфер. Об'єм залученого повітря визначений експериментально для кожного із зразків.

Розділення структурних елементів відбувається з урахуванням наступних міркувань.

Представляючи полістиролбетон багатокомпонентною системою, можна в у загальному об'ємі матеріалу V, умовно, виділити об'єм твердої частини V_тв, об'єм, зайнятий пінополістиролом V_ппс, об'єм, зайнятий мікросферами V_мкс, об'єм мікропор V_мп та об'єм повітряних пор V_пп (рис.6).

Загальний об'єм V складається з суми об'ємів: полістиролу V_ппс, микросфер V_мкс и розчинної частини V_рч

V = V_ппс + V_мкс + V_рч (1)

де

V_рч = V_тв+ V_мп + V_пп. (2)

Об'єм міжпорових перегородок V_пер складається з власне твердої частини V_тв і мікропор V_мп, що містяться в перегородках, причому передбачається, що об'ємне співвідношення твердої складової і мікропористості в міжпорових перегородках полістиролбетону таке ж, як і в затверділому розчині.

V_пер= V_тв + V_мп (3)

В якості параметру, що характеризує кількість того або іншого структурного елементу в матеріалі, прийнята відносна величина - об'ємний вміст структурного елементу в загальному об'ємі матеріалу - об'ємна частка (доля) - Р.

Істинний (абсолютний) об'єм полістиролу V_{іст ппс} визначався як:

V_{іст ппс} = V_ппс х(1-K_ппс), (4)

де К_ппс- коефіцієнт пустотності (К_ппс=0,43), визначений експериментально.

Об'ємний вміст пінополістиролу P_ппс визначався як:

P_ппс = V_{іст ппс} / V (5)

Істинний об'єм мікросфер V _{іст мкс} визначається як:

V_{іст мкс} = V_мкс х(1- K_мкс) (6)

де К_мкс- коефіцієнт пустотності, визначений експериментально (К_мкс =0,43).

Об'ємний вміст мікросфер P_мкс визначався як:

P_мкс = V_{іст мкс} / V (7)

Об'єм розчинної частини V_рч розглядається як різниця об'єму зразка V до суми об'ємів полістирольного заповнювача V_ппс та мікросфер V_мкс.

V_рч = V - (V_ппс + V_мкс) (8)

Об'ємний вміст розчинної частини P_рч визначався як:

P_рч = V_рч / V (9)

Об'єм повітряних пор V_пп визначалася як:

V_пп = (V_рч х K_пз1) + (V_рч х K_пз2), (10)

де K_пз1 - коефіцієнт повітря затягування i-того зразка за рахунок наповнювача - мікросфер, визначений експериментально;

K_пз2 - коефіцієнт повітря затягування i-того зразка за рахунок введення повітровтягувальної добавки, визначений експериментально.

Об'ємний вміст повітряних пор P_пп визначався як:

P_пп = V_пп / V (11)

Об'єм міжпорових перегородок V_пер визначався як:

V_пер = V_рч / (1 + K_пзi,) (12)

K_пзi, - сумарний коефіцієнт повітря затягування i-того зразка за рахунок наповнювача - мікросфер та повітровтягувальної добавки ( K_пз1 + K_пз2).

Об'ємний вміст міжпорових перегородок P_пер визначався як:

P_пер = V_пер / V (13)

Об'єм твердої частини V_тв визначався як:

V_тв = m_тв / с_тв, (14)

де m_тв - твердої частини, що розраховується як різниця між масою зразка та масами пінополістиролу і мікросфер;

с_тв - щільність твердої частини (2,55 кг/м³), визначена експериментально.

Об'ємний вміст твердої частини P_тв визначався як:

P_тв = V_тв / V (15)

Об'єм мікропор V_мп визначався як:

V_мп = V_пер - V_тв (16)

Об'ємний вміст мікропор P_мп визначався як:

P_мп = V_мп / V = P_пер - P_тв (17)

За наведеним алгоритмом розрахований об'ємний вміст структурних елементів 15-ти дослідних зразків, та виконаний аналіз впливу виділених структурних елементів полістиролбетону на його властивості.

Ступінь впливу перерахованих структурних параметрів на теплопровідність оцінювався за допомогою кореляційного аналізу.

Найтісніше взаємозв'язаний з теплопровідністю об'ємний вміст твердої частини перегородок (коефіцієнт кореляції r більше 0,92), наступна по ступеню впливу - кількість наповнювача - мікросфер (r = - 0,91) та менша - вміст залученого повітря (r = - 0,68).

Аналогічний вплив роблять ці структурні елементи на міцність, проте вплив повітряної фази - значно більший. Однозначного впливу мікропористості на теплопровідність не встановлено (r = 0,59), що пояснюється невизначеним вмістом у капілярах сорбційної вологи, яка має, до того ж, різну власну теплопровідність у вільному стані та в поверхневих шарах.

Розподіл структурних елементів у матеріалі матриці характеризується внутрішніми поверхнями розділу (ВПР). Отже, ВПР мають бути досить тісно пов'язані з властивостями полістиролбетону, насамперед, теплозахисними.

Внутрішні поверхні розділу ПСБ можуть характеризуватися площиною поверхні розділу між цементною матрицею (ЦМ) та іншими структурними елементами, а також питомою поверхнею. При визначенні питомої поверхні структурних елементів її відносять до об'єму даних елементів. Для полістиролбетону фізично більш обґрунтованою представляється саме така характеристика, як загальна площа розділу, яка дорівнює сумі ВПР на межі ЦМ - пінополістирол, ЦМ - мікросфери, ЦМ - повітряні пори і ЦМ - мікропори.

Попередній аналіз графіків підтверджує наявність певних залежностей теплозахисних властивостей легких бетонів від площі внутрішніх поверхонь розділу, причому із збільшенням площі поверхонь мікросфер і повітряних пор теплопровідність знижується. Низький коефіцієнт кореляції між площею мікропор і теплопровідністю (r < 0,59) не дозволяє однозначно судити про характер їхнього взаємозв'язку.

Враховуючи однаковий характер залежностей на рис. 8 та 9, і те що зміст структурних елементів визначається простіше, саме цей параметр прийнятий до подальшого використання у роботі.

Оптимізація структури полістиролбетону виконана з урахуванням не тільки теплозахисних, але і міцнісних властивостей. Зниження теплопровідності полістиролбетону тільки за рахунок зменшення щільності призводить до падіння його міцності. Тому у роботі виконаний пошук компромісного рішення. Умовами компромісу прийняті: л < 0,13 Вт/м·К; Rст > 2,5 МПа.

Побудовані залежності об'ємного вмісту структурних елементів від рецептурних факторів (приклади для твердої частини та повітряних пор показані на рис.10) та встановлено їхнє оптимальне співвідношення у полістиролбетоні конструкційно-теплоізоляційного призначення щільністю 550 - 600 кг/м³ за завданими умовами компромісу. В якості прикладу у табл.1 наведені результати розрахунку оптимального вмісту структурних елементів для складів 1 та 2 (рис. 10).

Таблиця 1. Оптимальний об'ємний вміст структурних елементів в полістиролбетоні щільністю 550-600 кг/м³

Структурні елементи	Об'ємний вміст Р, частка
	склад 1	склад 2
Тверда складова	0,230	0,215
Мікросфери	0,059	0,074
Повітряні пори у тому чіслі за рахунок введення: 1. мікросфер 2. повітровтягувальної добавки	0,104	0,112
	0,054	0,058
	0,050	0,054
Мікропори	0,058	0,050
Пінополістирол	0,549	0,549

Розроблено технологічний регламент виробництва полістиролбетонної суміші та дрібно-штучних стінових блоків з полістиролбетону. Запропонований склад полістиролбетону захищений патентом України [№ 39515 /МПК (09)] та на його основі виконано зведення стін двоповерхових будівель загальною площею 450 м².

Загальні висновки

1. Вивчено вплив мікросфер на властивості полістиролбетону. Введення в полістиролбетон мікросферного наповнювача у кількості 8-12% призводить до підвищення міцнісних характеристик на 22% та зниження теплопровідності на 27%, при цьому водопоглинання ПСБ не більше 6%, усадка не перевищує 1,1 мм/м.

2. Досліджено вплив пластифікуючих та повітровтягувальних добавок на властивості полістиролбетону. Встановлено, що повітровтягувальна добавка «Centrament air» - підвищує гідрофільність пінополістирольного заповнювача та знижує міцність і теплопровідність полістиролбетону, а пластифікуюча добавка «FK 63.30» - підвищує міцність і теплопровідність як цементної матриці так і полістиролбетону при оптимальній концентрації. Визначені оптимальні дозування добавок: «Centrament air» 0,3-0,7% від маси цементу, «FK 63.30» 0,1-0,15%.

3. В якості структурних елементів у полістиролбетоні виділені: тверда складова, пінополістирольний заповнювач, мікросфери, повітряні пори, мікропори та розроблений алгоритм розрахунку їхнього об'ємного вмісту.

4. Встановлені залежності властивостей полістиролбетону від вмісту структурних елементів. Найбільший вплив на теплопровідність (при постійному вмісті заповнювача) надає кількість твердої складової (r = 0,92), наступна по ступеню впливу - кількість наповнювача (r = - 0,91) і менше - вміст залученого повітря (r = - 0,68). Аналогічний вплив надають ці структурні елементи на міцність, проте вплив повітряної фази - значно сильніше. Мікропористість надає істотний вплив на міцність (r = 0,89) та несуттєво впливає на теплопровідність (r = 0,59).

5. Досліджено вплив внутрішніх поверхонь розділу полістиролбетону на властивості матеріалу. Встановлено однозначний, хоча і в різній мірі, вплив поверхонь розділу структурних елементів розміром більш 0,01мм на властивості полістиролбетону. Найбільший вплив на теплопровідність, наприклад, надають поверхні розділу між мікросферами і цементною матрицею (r = - 0,85). Поверхні розділу мікропор мають невизначений вплив на властивості полістиролбетону (r = 0,59).

6. Виконана компромісна оптимізація структури та властивостей полістиролбетону. Для полістиролбетону щільністю 550-600 кг/м³ за заданих умов компромісу (л < 0,13 Вт/м·К; R_ст > 2,5 МПа) встановлено оптимальний вміст структурних елементів та визначена область рецептурних рішень, при яких ці умови забезпечуються. Розроблений технологічний регламент виробництва полістирол- бетонної суміші та дрібно-штучних стінових блоків з полістиролбетону. Запропонований склад полістиролбетону, впроваджено в практичне будівництво при зведенні стін двох двоповерхових будівель загальною площею 450м².

Основні положення дисертації опубліковано у роботах

1. В.Я. Керш Модификация твердой составляющей полистиролбетона / В.Я. Керш, Н.В. Дмитриева, М.И. Холдаева // Вісник ОДАБА. - Одеса: «Місто майстрів», 2006. - вип. №23. - С.100-104.

Внесок здобувача - описані результати створення полістиролбетонних блоків низької щільності з усуненням основного недоліку (розшарування суміші) за рахунок введення мікросфер в якості наповнювача. При цьому, поліпшуються теплозахисні властивості матеріалу.

2. Керш В.Я. Совершенствование структуры и теплозащитных свойств полистиролбетона / В.Я. Керш, М.И. Холдаева // Международный сборник научных трудов «Прогрессивные материалы и технологии в современном строительстве». - г.Новосибирск, 2007-2008. - С.177-179.

Внесок здобувача - досліджена порова структура і вплив параметрів міжпорових перегородок. Встановлені оптимальні склади полістиролбетону методами експериментально-статистичного моделювання.

3. Керш В.Я. Влияние компонентов смеси на свойства полистиролбетона / В.Я. Керш, М.И. Холдаева // Вісник ОДАБА. - Одеса: «Місто майстрів», 2008. - вип. №31. - С.163-170.

Внесок здобувача - приведені результати досліджень впливу складу, зокрема пластифікуючих та повітровтягувальних добавок, на структуроутворення і властивості полістиролбетону.

4. Керш В.Я. Влияние рецептурных факторов на свойства легких бетонов с полистирольним заполнителем / В.Я. Керш, М.И. Холдаева, А.В. Штец // Будівельні конструкції: Міжвідомчий наук.-техн. Збірник наукових праць (будівництво) «Сучасні технології бетону». - Київ:НДІБК, 2009.- вип. №72. - С.126-132.

Внесок здобувача - приведені результати досліджень поліпшення фізико-механічних властивостей полістиролбетону шляхом направленого структуроутворення за рахунок рецептурних факторів.

5. Керш В.Я. Анализ влияния макроструктурных элементов на теплозащитные свойства легких бетонов / В.Я. Керш, М.И. Холдаева, А.В.Штец // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. Науково-технічний збірник Державного підприємства «Український науково дослідний інститут будівельних матеріалів та виробів (НДІБМВ)» «Державний науково-дослідний інститут санітарної техніки і обладнання будівель та споруд (ДНДІСТ)». - Київ: ТОВ «Знання» України, 2009. - Вип. 32.- С.53-59.

Внесок здобувача - приведені результати досліджень впливу рецептурних факторів, у тому числі пластифікуючих та повітровтягувальних добавок на структуроутворення і властивості модифікованого полістиролбетону.

6.В.Я. Керш Совершенствование структуры и теплозащитных свойств полистиролбетона / В.Я. Керш, М.И. Холдаева // МОК'46, «Моделирование в компьютерном материаловедении».- Одесса:«Астропринт», 2007. - С.147-149.

Внесок здобувача - досліджено застосування наповнювачів з коефіцієнтом теплопровідності, який є менши від коефіцієнта теплопровідності цементного каменю, із застосуванням методу фотопружності в експериментах на прозорих моделях зі смол епоксидної та полієфирної з металевими і полістирольними включеннями.

7.В.Я. Керш. Анализ распределения структурных элементов в ячеистом материале / В.Я. Керш, М.И. Холдаева // МОК'47, «Компьютерное материаловедение и прогрессивные технологии», Одесса «Астропринт», 2008г., с.155-156.

Внесок здобувача - запропоновані структурні елементи бетонів на надлегких заповнювачах, розглянуто їхній вплив на теплозахисні і міцнісні властивості матеріалу.

8. В.Я. Керш Моделирование формирования теплового потока в ячеистом материале / В.Я. Керш, П.Н.Чабаненко, М.И. Холдаева //МОК'47, «Компьютерное материаловедение и прогрессивние технологии». - Одесса:«Астропринт», 2008. -С.157-158.

Внесок здобувача - формування і розповсюдження теплового потоку в ніздрюватих (пінобетон) і псевдоніздрюватих (полістиролбетон) матеріалах. Проведені спостереженнями на прозорих моделях з фотофіксацією і прямим вимірюванням теплопровідності модельних зразків.

9.Холдаева М.И. Полистиролбетон - новое качество энерго-ресурсо-сберегающего строительства / М.И. Холдаева // «Розвиток житлової та дорожньої сфери одеського регіону»: Міжнародний науково-технічний семінар. - Одеса:«ОДАБА», 2009, С.76-80.

Внесок здобувача - приведені результати досліджень застосування модифікованого полістиролбетону з різноманітними властивостями.

10. Керш В.Я. Структура и свойства бетонов на сверхлегких заполнителях / В.Я. Керш, М.И. Холдаева, А.В. Штец //Вісник ОДАБА. - Одеса: «Місто майстрів», 2009. - вип. №35. - С.176-181.

Внесок здобувача - запропоновані структурні елементи бетонів на надлегких заповнювачах, розглядається їхній вплив на теплозахисні і міцнісні властивості матеріалу.

11. Патент на корисну модель №39515 Україна, МПК (2009)UA С 04 В 14/02.Суміш для приготування полістиролбетону/ Дорожкін В.В., Керш В.Я., Керш Д.В., Холдаєва М.І. заявл. 31.10.2008; опубл. 25.02.09, Бюл. № 4, 2009р.

Анотація

Холдаєва Марія Іванівна. Структура та властивості полістиролбетону з мікросферним наповнювачем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби, Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2010р.

Дисертація присвячена питанням поліпшення фізико-механічних властивостей полістиролбетону шляхом направленого структуроутворення. Проблема розшарування полістиролбетонной суміші вирішується за рахунок введення в суміш зольних мікросфер. Використання порожнистих мікросфер у поєднанні з комплексом хімічних добавок сприяє формуванню структури полістиролбетону з покращуваними теплозахисними і міцнісними властивостями. У роботі виконаний аналіз впливу макроструктурних елементів конструкційнно - теплоізоляційногополістиролбетону на його властивості. Як структурні елементи ПСБ прийняті: сферичні гранули пінополістиролу (псевдоніздрюваті пори); порожнисті мікросфери; повітряні пори, утворені за рахунок повітровтягування; мікропори і, власне, тверда складова. Параметром, що характеризує кількість того або іншого структурного елементу в матеріалі, служить відносна величина - об'ємний вміст (частка) елементу в загальному об'ємізразка.

Приведений алгоритм розрахунку об'ємного вмісту структурних елементів псевдоніздрюватого матеріалу з метою аналізу їх впливу на властивості. Проаналізований вплив об'ємного вмісту структурних елементів на властивості полістиролбетону.

За наслідками компромісної оптимізації виділена зона рецептурних рішень, що забезпечують л<0,13 Вт/м·К та R_ст>2,5 МПа і встановлені оптимальні співвідношення структурних елементів, що забезпечують задані умови. Розроблений склад полистиролбетона захищений патентом України.

Ключові слова: легкий бетон, полістиролбетон, теплопровідність, структуроутворення, рецептурно-технологічні фактори, оптимізація.

Аннотация

Холдаева Мария Ивановна. Структура и свойств полистиролбетона с микросферным наполнителем. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2010 г.

Диссертация посвящена вопросам улучшения физико-механических свойств полистиролбетона путем направленного структурообразования. Проблема расслаиваемости полистиролбетонной смеси решается за счёт введения в смесь зольных микросфер. Использование полых микросфер в сочетании с комплексом химических добавок способствует формированию структуры полистиролбетона с улучшенными теплозащитными и прочностными свойствами. В работе выполнен анализ влияния макроструктурных элементов конструкционно-теплоизоляционного полистиролбетона на его свойства. В качестве структурных элементов ПСБ приняты: сферические гранулы пенополистирола (псевдоячеистые поры); полые микросферы; воздушные поры, образованные за счет воздухововлечения; микропоры и, собственно, твердая составляющая. Параметром, характеризующим количество того или иного структурного элемента в материале, служит относительная величина - объемное содержание (доля) элемента в общем объеме образца.

Приведен алгоритм расчета объемного содержания структурных элементов полистиролбетона с целью анализа их влияния на свойства. Проанализировано влияние объемного содержания структурных элементов на свойства полистиролбетона.

По результатам компромиссной оптимизации выделена зона рецептурных решений, обеспечивающих л < 0,13 Вт/м·К и R_сж >2,5 МПа и установлены оптимальные соотношения структурных элементов, обеспечивающих заданные условия. Разработанный состав полистиролбетона защищен патентом Украины.

Ключевые слова: легкий бетон, полистиролбетон, теплопроводность, структурообразование, рецептурно-технологические факторы, оптимизация.

Abstract

Kholdaieva Marііa. Structure and properties of polystyrene concrete with filling of microspheres. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of science on speciality 05.23.05 - building materials and articles. - Odessa State Academy of Civil Construction and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Odessa, 2010.

The dissertation is devoted to questions of improvement of physic-mechanical properties of polystyrene concrete by the directed structurization. The problem of an exfoliation polystyrene concrete mixes is solved due to introduction in a mix of cindery microspheres. Use of hollow microspheres in a combination to a complex of chemical additives promotes formation of structure of polystyrene concrete with improved heat-shielding and a mechanical properties. The analysis of influence of macrostructural elements structural heat-insulating of polystyrene concrete on its properties in work is executed. As structural elements of polystyrene concrete are accepted: spherical granules of foam polystyrene (pseudo-cellulous pores); hollow microspheres; the air pores formed due to involving of air; micropores and, actually, a firm component. In parameter which describing quantity of this or that structural element in a material, the relative size serves is a volumetric content (share) of an element in total amount of a sample.

The algorithm of calculation of a volumetric content of structural elements of a pseudo-cellulous material with the purpose of the analysis of their influence on properties is resulted. Influence of a volumetric content of structural elements on properties of polystyrene concrete is analysed.

By results of compromise optimization the working area of decisions of a compounding which provides л<0,13 Wt/m·K и R_b >2,5 MPa is allocated and optimum parities of the structural elements providing set conditions are established. The developed content of polystyrene concrete is protected by the patent of Ukraine.

Keywords: a lightweight-aggregate concrete, polystyrene concrete, heat conductivity, structurization, factors of a compounding and technology, optimization.

Размещено на Allbest.ru