Повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения цеолитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОРИЗОВАННЫХ ГИПСОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ВВЕДЕНИЯ ЦЕОЛИТОВ

Орлов Алексей Викторович

Москва - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Румянцев Борис Михайлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Козлов Валерий Васильевич

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бессонов Игорь Вячеславович

Ведущая организация - Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт Московского строительства «НИИМосстрой»

Защита состоится « 20 » декабря 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд. 419 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «____» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Алимов Л.А.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для улучшения санитарно-гигиенических показателей внутренней среды помещений необходимо создание материалов, обладающих возможностью снижения концентрации вредных веществ в воздухе, создающих акустический комфорт и огнезащиту несущих конструкций.

Одним из путей решения этой проблемы является применение цеолитов в производстве лицевых элементов подвесных потолков. Гранулы цеолитов пронизаны системой каналов и имеют развитую удельную поверхность. Данные минералы могут эффективно работать совместно с поризованными материалами на основе гипса и обеспечить поглощение вредных веществ из воздуха.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Жилище», и включена в план научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО МГСУ.

Цель и задачи работы

Основной целью работы является повышение эффективности поризованных гипсовых материалов за счет введения цеолитов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность получения поризованных гипсоцеолитовых материалов (ПГЦМ), обладающих повышенной сорбционной способностью, высоким звукопоглощением и обеспечивающих огнезащиту несущих конструкций;

- сформулировать требования к поризованным гипсоцеолитовым материалам с повышенной сорбционной способностью и их структуре;

- обосновать возможность применения цеолитовых сорбентов в качестве компонентов снижающих концентрацию вредных веществ в помещении в составе поризованных гипсовых материалов;

- установить зависимости физико-механических и эксплуатационных свойств поризованных гипсоцеолитовых материалов от состава и технологических факторов;

- исследовать влияние вида и содержания цеолита на сорбционную способность материалов, звукопоглощение и пожарную безопасность;

- определить технико-экономическую целесообразность производства поризованных гипсоцеолитовых плит;

- для практического использования полученных материалов необходимо разработать технические условия на поризованные гипсоцеолитовые плиты.

Научная новизна:

- установлено проявление цеолитами, находящимися в структуре пеногипса, очищающих свойств и кинетики сорбции вредных веществ, в основе которых лежит совместная работа системы разветвленной пористости, характерной для пеногипса и каналов молекулярных размеров, присущих цеолиту;

- установлены многофакторные зависимости средней плотности и прочности при сжатии от содержания гипсового вяжущего, воды затворения, цеолита и ПАВ, необходимые для оптимизации состава;

- установлены зависимости подвижности гипсоцеолитовых смесей от содержания гипсового вяжущего, воды затворения, цеолита и ПАВ и влияние содержания ПАВ на свойства пеномассы;

- установлена методом электронной микроскопии минимальная блокировка входных каналов цеолита за счет точечного контакта крупных кристаллов гипса с поверхностью цеолита;

- установлено методом рентгенофазового анализа образование алюмосиликатных органоминеральных соединений в результате взаимодействия цеолита с парами формальдегида;

- установлено влияние вида и содержания цеолита на свойства изделий.

Практическая ценность работы:

- разработана технология получения декоративно-акустических изделий, основанная на методе сухой минерализации пены гипсовым вяжущим с добавлением тонкодисперсных фракций цеолита;

- получены изделия на основе поризованного гипсоцеолитового материала плотностью 400 кг/м3, прочностью на сжатие 0,54 МПа, относящиеся к классу звукопоглощения НСВ-312, группе горючести НГ;

- разработана методика оценки сорбционных свойств материалов в динамическом режиме, суть которой заключается в принудительной прокачке загрязненного газа через материал с последующим анализом прошедшего газа на его чистоту.

Внедрение результатов исследования

Опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций по производству изделий из поризованных гипсоцеолитовых материалов осуществлялось на предприятии ООО «Радиострим». Была выпущена партия объемом 50 м2 и разработан проект технических условий.

Апробация работы.

Основные положения и практические результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов МГСУ за 2008-2009 учебный год; на одиннадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2008 г.; на двенадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2009 г.; на научно-технической конференции программы «У.М.Н.И.К.» в 2009 г. в г. Москва, где была отмечена наградой; на тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в г. Москва в 2010 г. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, 2 из которых - в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и 4 приложений изложена на 209 листах печатного текста и включает 76 рисунков, 28 таблиц, список литературы из 102 наименований.

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование возможности совместной работы поризованных гипсовых материалов и цеолитов в декоративно-акустических материалах, обладающих функцией очищения воздуха, звукопоглощения и огнезащиты;

- принципы создания поризованных гипсоцеолитовых материалов с повышенной сорбционной способностью для устройства подвесных потолков;

- технологические приемы, обеспечивающие получение материалов с улучшенными сорбционными и звукопоглощающими свойствами;

- зависимости отражающих влияние главных технологических факторов на параметры структуры материалов;

- методику подбора состава, позволяющую получать изделия с оптимальными функциональными свойствами;

- результаты опытно-промышленного опробования и технико-экономической эффективности.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Улучшение санитарно-гигиенических показателей внутренней среды помещения является актуальным в связи с высоким уровнем химического загрязнения воздуха. Источниками этих загрязнений являются как внешние факторы - автомобильный транспорт, теплоэнергетика и транспорт, так и внутренние - химические испарения краски, лака, мебельного клея, пластика, напольных покрытий, табачный дым, органические вещества и т.п.

Одним из аспектов данной проблемы является уменьшение концентрации вредных веществ, находящихся внутри помещений. В качестве решений в настоящее время применяются системы естественной и принудительной вентиляции с дополнительными фильтрующими элементами или без них, а так же бытовые системы очистки и увлажнения воздуха.

В связи с этим актуальным является вопрос создания отделочных материалов, позволяющих решать вопросы снижения концентрации вредных веществ, находящихся в помещении. Одним из путей решения является использование активных минералов с высокой сорбционной и ионообменной емкостью. Такими минералами являются различные сорбенты, широко применяемые в нефтеперерабатывающей и газовой промышленности. При изучении структуры и свойств различных сорбентов выбор был остановлен на ионообменных сорбентах, а именно цеолитах, которые широко применяются в процессах очистки нефтепродуктов, для сушки и разделения газов и жидкостей, осветления пищевых и других материалов и т. д.

Состав цеолитов на 80 процентов состоит из окислов кремния, твердость которых колеблется в интервале 3,5-5,5 по шкале Мооса. Цеолиты представляют собой хорошо ограненные кристаллы с размерами от долей микрона до нескольких сантиметров. Цеолиты определяют как трехмерные кристаллические структуры, имеющие однородные поры молекулярных размеров. Из-за разветвлённой системы каналов, пронизывающих объём цеолита их называют молекулярными ситами. Общая химическая формула цеолитов имеет вид Ме2/nO · Al2O3 · xSiO2 · yH2O, где Ме -- катион щелочного металла, а n -- его валентность.

Цеолиты благодаря своей уникальной структуре и высокой сорбционной и ионообменной емкости позволяют адсорбировать из газовых и жидких систем пары различных веществ. Емкость поглощения цеолитов в 30 раз выше, чем у ионообменных смол.

Главным критерием при выборе основного компонента матрицы явилась его структура, которая позволяет свободно проникать через свою толщу молекулам газа, а входные окна цеолита, при этом оставались бы открытыми. Такой структурой обладают поризованные гипсовые материалы, широко применяемые для акустической и теплоизоляционной обработки помещений.

При выполнении работы была сформулирована научная гипотеза, суть которой заключается в следующем: вредные вещества, попадая в помещение, достигают поверхности пористого гипсового материала, где за счет его развитой удельной поверхности и высокой межкристаллической пустотности проходят в толщу материала и попадают на поверхность сорбента-заполнителя, а затем проникают в его микропористую структуру за счет градиентно-диффузионных сил. В микропористой структуре сорбента молекулы вредных веществ адсорбируются преимущественно за счет дипольного взаимодействия, после чего некоторые из них частично проходят ионный обмен. Тем самым вредные компоненты и продукты разложения фиксируются в толще заполнителя и удаляются из атмосферы.

Для разработки поризованных гипсоцеолитовых материалов (ПГЦМ) использовались следующие сырьевые компоненты: гипсовое вяжущее Пешеланского гипсового завода «Декор-1» марки Г-5 АI, Г-6 АI, гипсовое вяжущее ЗАО «Самарский гипсовый комбинат» марки ГВВС-16; поверхностно-активные вещества (ПАВ) «Пентапав 430» марки А, представляющие водный раствор вторичных алкилсульфатов натрия; вода для затворения гипсового вяжущего, природные цеолиты Сокирницкого и Холинского месторождений и синтетические цеолиты NaX.

В табл. 1 и 2 приведены основные характеристики сырьевых компонентов.

Таблица 1 Характеристика гипсовых вяжущих б и в - модификации

Модификация гипсового вяжущего	Нормальная густота	Сроки схватывания, мин	Предел прочности через 2 часа, МПа
		начало	конец	При сжатии	При изгибе
б - модификация	0,41	7	18	16,0	6,0
в - модификация	0,6	5	12	6,0	3,0

Таблица 2 Характеристики синтетического и природных цеолитов

Наименование цеолита	Размер пор, ангстрем	Насыпная плотность, г/м3	Твердость по шкале Мооса, балл	Фракционный состав, мм	Содержание клиноптилолита, %
NaX	9	0,74	4-5	0,14-0,63 0,63-1,25 1,25-2,5	-
Холинский	3-5	1,24			60
Сокирницкий	4	1,1			70

Для обоснования возможности создания поризованных гипсоцеолитовых материалов были проведены исследования исходных сырьевых компонентов -гипсового вяжущего, ПАВ, природных и синтетических цеолитов.

При изучении модификаций гипсового вяжущего выбор был остановлен на гипсовом вяжущем в -модификации, в связи с его менее плотным строением по сравнению с -модификацией, что обеспечивает более развитую удельную поверхность. Поризованные гипсовые материалы обладают высокой сорбционной способностью, что позволяет материалу поглощать (впитывать) посторонние пары или газы из окружающей среды. Так гигроскопичность пеногипса по водяным парам в течение 30 суток составляет 10,5 % по массе при относительной влажности воздуха 97%.

При исследовании влияния ПАВ на процесс пенообразования получены зависимости кратности, синерезиса и плотности пены от времени и содержания ПАВ. Установлено, что пеномассы с содержанием ПАВ до 0,25% по массе, обладая более низкими начальными значениями плотности, отличаются большей стабильностью, чем пеномассы с содержанием ПАВ 0,15% по массе.

При исследовании влияния ПАВ на реологию пеногипсового теста установлено, что составы с содержанием ПАВ до 0,25% по массе обладают расплывом, определенном на приборе Сутторда, 8 см., что является меньше величиной, чем при концентрации ПАВ 0,15% по массе.

При исследовании влияния ПАВ и водогипсового отношения (В/Г) на плотность и прочность пеногипсовых материалов установлено, что для получения материала плотностью 350-450 кг/м3 и прочностью не менее 0,5 МПа целесообразно применять В/Г 0,8 при использовании гипсового вяжущего Г-6 АI. поризованный гипсоцеолитовый звукопоглощение плита

Для обеспечения высоких акустических показателей изделий необходимо, чтобы структура материала обладала открытой сообщающейся пористостью, а так же чтобы структура пеногипсовых материалов обеспечивала доступ вредных веществ в толщу материала для контакта с заполнителем. При изучении структуры пеногипсовых материалов был использован сканирующий электронный микроскоп EVO 40 фирмы ZEISS.

Подтверждено, что структура пеногипса (рис.1) состоит из кристаллов игольчатой формы размером от 10 до 30 микрон. Эти кристаллы хаотично расположены в материале и имеют точечную поверхность контакта друг с другом. Структура материала, образованная этими кристаллами, имеет высокую межкристаллическую пустотность, сравнимую по размерам с кристаллами гипса, что обеспечивает свободное проникновение молекул газа в материал. На основании предварительных исследований установлено, что структура пеногипсового материала является подходящей для введения в нее тонкодисперсных фракций цеолита.

Рис.1. Структура пеногипса при увеличении х1230

Широкое использование цеолитов в качестве молекулярных сит обусловлено их необычными свойствами: способностью сорбировать водяной пар или различные вещества в газообразном состоянии, катионы цеолитов легко обмениваются на другие положительные ионы. Сеть полостей и узкие диффузионные пути (поры) приводят к образованию развитой внутренней поверхности большой величины.

Удельную поверхность цеолитов выражается отношением общей поверхности пористого или диспергированного в данной среде тела к его объёму или массе. Удельная поверхность пропорциональна дисперсности или, что то же, обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы. От величины удельной поверхности зависят поглотительная способность адсорбентов, эффективность твёрдых катализаторов, свойства фильтрующих материалов. Удельная поверхность активных углей составляет 500--1500, цеолитов до 1100, силикагелей -- до 800, макропористых ионообменных смол -- не более 70, а диатомитовых носителей для газожидкостной хроматографии -- менее 10 м2/г.

В строительной промышленности, в производстве материалов с высокими сорбционными показателями целесообразно использовать цеолиты, обеспечивающие эффективное поглощение и снижение концентраций наиболее распространенных в быту вредных веществ. К таким веществам относятся формальдегид, окись азота, бензол, фенол, никотин, окись углерода, аммиак и другие. Из многих факторов, влияющих на скорость сорбции на мелкопористых сорбентах, наибольшее значение имеет размер молекул по отношению к размеру входного отверстия. В таблице 3 приведены размеры молекул некоторых веществ.

Таблица 3 Критические размеры молекул, ?

Сферические молекулы	Нормальные углеводороды
Не	2,0	Kr	3,94	C3H8	4,9
Ne	3.20	Xe	4,37	C4H10	4,9
Ar	3,83	CH4	4,0	C14H30	4,9
Симметричные молекулы	Несимметричные молекулы
CF4	5,33	CJ4	8,22	CF3Cl	4,94
CCl4	6,88	C(CH3)4	6,88	CF2Cl2	4,93
CBr4	7,46	SF6	6,06	CF3H	4,84
C2F6	5.33	NH3	3,8	CF2ClH	4,93
Двухатомные и двухрадикальные молекулы	Другие молекулы
H2	2,4	C2H4	4,25	CO2	2,8	C4H8	5,1
O2	2,8	C2H6	4,44	CO	2,8	цикло-С5H10	4,35
N2	3,0	C2F6	5,33	C6H6	6,8	изо-C4H10	5,38
C2H2	2,4	C2Cl6	6,88	C3H6	5,0

Международная классификация цеолитов предусматривает указание определяющего размера цеолита (диаметра входного окна). Это соответствие соблюдается, однако, только для цеолитов типа А. В табл. 4 приведена классификация и характеристика цеолитов общего назначения.

Таблица 4 Классификация цеолитов

Классификация России	KА	NaA	СаА	CaX	NaX
Классификация CШA	3А	4А	5A	10X	13Х
Диаметр входного окна, нм	0,3	0,4	0,5	0,8	0,9

Наиболее интересным минералом для обеспечения очистки воздуха в составе пеногипса является цеолит типа NaX. Однако, поскольку производство указанного типа цеолита сопровождается высокими затратами, представляется целесообразным использовать в качестве сорбента ближайшие его аналоги - природные цеолиты. Исходя из анализа строения и свойств цеолитов различного вида установлено, что их применение целесообразно с учетом вида адсорбируемых ими веществ. Таким образом, в дальнейших исследованиях были использованы следующие типы цеолитов: цеолит NaX и цеолиты Сокирницкого и Холинского месторождений.

При исследовании сорбционных возможностей цеолита были проведены исследования процесса поглощения зёрнами цеолита различных веществ. Установлено, что цеолит NaX является наиболее эффективным сорбентом для применения в составе ПГЦМ. По сравнению с другим распространённым сорбентом - силикагелем - цеолит обладает более ровной кинетикой насыщения (испытания проводились при насыщении формальдегидом). За счет более мелкого диаметра входных отверстий (каналов) цеолита процесс сорбции и десорбции происходит более равномерно по отношению к силикагелю, в котором крупные входные каналы насыщаются гораздо быстрее.

Проведенные исследования элементарного состава цеолитов подтвердили, что основными составляющими цеолита являются оксиды алюминия и кремния. Поскольку основным составляющим гипса является сульфат кальция, а цеолита - оксиды алюминия и кремния, то между ними в процессе формирования структуры и дальнейшей эксплуатации химические реакции протекать не будут. Таким образом, подтверждено положение о возможности применения цеолита совместно с гипсовым вяжущим для получения ПГЦМ.

При исследовании структуры цеолитов NaX (рис.2) и цеолитов Холинкого и Сокирницкого месторождений установлено, что цеолиты имеют хлопьевидную структуру с ярко выраженными межзерновыми пустотами размером до 3 микрон, при этом входные каналы находятся на поверхностях самих зерен цеолита. Установлено, что размеры межзерновых пустот в исследуемых цеолитах достаточны для прохождения сорбируемых молекул газа в толщу цеолита и дальнейшего проникновения этих молекул во входные каналы молекулярных размеров. В свою очередь входные каналы равномерно распределены по всему объему зерен цеолита, что позволяет эффективно сорбировать молекулы газа всем объемом зерна.



Рис.2. Структура синтетического цеолита NaX при увеличении х10000

При исследовании сорбционных возможностей цеолитов по отношению к парам воды установлено, что наибольшими сорбционными способностями обладают цеолиты NaX (21,45% по массе за 70 суток насыщения при относительной влажности воздуха 97%), а меньшими -цеолиты Сокирницкого (5,35%) и Холинского месторождений (2,23%).

Установлено, что сорбция паров аммиака цеолитом протекает эффективнее, чем сорбция паров формальдегида и особенно фенола. При этом повышение степени измельчения положительно влияет на скорость сорбции. Цеолит NaX фракции 0,14-0,63 мм в течение 30 дней адсорбировал по массе 20,7% аммиака, 17,9% формальдегида и 16,5% фенола.

Для определения характера сорбции и возможных новообразований в процессе взаимодействия цеолита с сорбатом (формальдегид) были проведены рентгенографические исследования цеолита (рис. 3) на рентгеновском аппарате для структурного анализа ALR X'TRA (ThermoFisher Scientific, Швейцария).



Рис. 3. Рентгенограмма цеолита

1) до насыщения формальдегидом;

2) после насыщения формальдегидом.

* стрелками на рентгенограмме показано образование новых пиков

При сравнении рентгенограмм цеолита до и после насыщения на рентгенограмме насыщенного образца выявилось образование не менее 4-х дополнительных и изменение интенсивности некоторых совпадающих по положению линий, которые свидетельствуют об образовании новых соединений. Данные соединения частично разлагается при длительной термической обработке насыщенного цеолита, что показывает наличие явления хемосорбции. Установлено, что в процессе сорбции цеолитом вредных веществ наблюдается протекание химических реакций между цеолитом и сорбатом, повышающее эффективность сорбции ПГЦМ.

При исследовании влияния вида и содержания цеолита на плотность и прочность получаемых ПГЦМ было использовано следующие соотношение компонентов: В/Г - 0,8; ПАВ 0,17% от количества воды затворения, цеолиты NaX фракции 0,14-0,63; 0,63-1,25; 1,25-2,5 и содержанием от 0 до 36% от количества гипсового вяжущего по массе. По результатам исследований были выделены два интервала закономерного изменения свойств - с содержанием цеолита 6-18% и 18-36%.

В первом интервале плотность поризованных гипсоцеолитовых образцов прямо пропорциональна содержанию цеолита. Однако установлено чем меньше размер зерна цеолита, тем выше плотность получаемых поризованных гипсоцеолитовых материалов. Прочность образцов при сжатии при этом возрастает с 0,44 до 0,82 МПа для фракции 0,14-0,63 с 0,31 до 0,59 МПа для фракции 0,63-1,25, с 0,29 до 0,47 МПа для фракции 1,25-2,5 мм.

В интервале от 18 до 36% содержания цеолита от количества гипсового вяжущего по массе плотность получаемых материалов увеличивается нелинейно, при этом плотность материала стремится к насыпной плотности цеолита, которая составляет 740 кг/м3, а прочность материала снижается до 0,38 МПа для фракции 0,14-0,63, до 0,37 МПа для фракции 0,63-1,25, до 0,33 МПа для фракции 1,25-2,5 мм. Таким образом, оптимальным содержанием цеолита было принято 18% от количества гипсового вяжущего. Максимальная прочность гипсоцеолитовых материалов наблюдается при использовании фракции 0,14-0,63 мм.

При анализе адгезионных свойств цеолита относительно поризованной гипсовой матрицы установлено, что зона контакта образована за счет точечного соприкосновения игольчатых кристаллов гипса с поверхностью цеолита. Кристаллы гипса при этом расположены относительно поверхности цеолита под различными углами и соприкасаются с нею как торцевыми частями, так и боковыми плоскостями.

Проведенные исследования структуры гипсоцеолитовых материалов (рис.4) показали, что кристаллы гипса обладают размерами, большими, чем размеры входных каналов цеолита, а зона контакта кристаллов гипса и цеолита является точечной, что позволяет свести к минимуму блокировку входных каналов цеолита. Этот факт в совокупности с межкристаллической пустотностью в гипсовом материале, которая позволяет свободно проникать через свою толщу адсорбируемым молекулам газа, позволяет обеспечить высокие сорбционные свойства разрабатываемых ПГЦМ, что и подтверждает выдвинутую рабочую гипотезу



Рис.4. Структура ПГЦМ плотностью 400 кг/м3 х2800

Для оптимизации составов ПГЦМ был применён математический метод планирования эксперимента. В качестве факторов моделирования были выбраны средняя плотность (У1) и предел прочности при сжатии (У2) ПГЦМ. Условия планирования эксперимента приведены в табл.3.

Таблица 3 Факторы и уровни их варьирования

Наименование фактора	Символ Хi	Среднее значение фактора, i	Интервал варьирования, ДХi	Значения фактора на уровнях
				-1	+1
Водогипсовое отношение (В/Г)	Х1	0,8	0,1	0,7	0,9
Расход цеолита по отношению к расходу гипса, %	Х2	16	3	13	19
Расход ПАВ по отношению к расходу воды, %	Х3	0,17	0,03	0,14	0,20

В результате обработки данных эксперимента были получены трёхфакторные квадратичные зависимости:

- для средней плотности (У1):

У1=400-10Х1+20Х2-12Х3-6Х1Х3+5Х1Х2

- для прочности при сжатии(У2):

У2=0,52-0,04Х1+0,06Х2-0,03Х3+0,02Х1Х3+0,01Х12-0,05Х22

Анализ коэффициентов уравнения У1=f1(Х1,Х2,Х3) показывает, что увеличение В/Г и расхода ПАВ ведет к некоторому снижению средней плотности, а увеличение расхода цеолита - к росту средней плотности. В плоских сечениях (Х1,Х2), (Х1,Х3) имеют место гиперболические зависимости, в сечении (Х2,Х3) - зависимость плотности от этих факторов имеет линейный характер.

Анализ коэффициентов уравнения У2=f2(Х1,Х2,Х3) показывает, что увеличение В/Г и расхода ПАВ ведет к снижению прочности при сжатии; при этом значимый коэффициент при Х12 показывает, что при больших значениях В/Г это снижение проявляется в меньшей степени. Зависимость прочности от расхода цеолита носит экстремальный характер, т.е. на участке изучаемого фазового пространства имеет место максимум функции У2=f3(Х2).

Объединенный график плотности и прочности представлен на рис.5.

Рис.5. Определение оптимальных значений водогипсового отношения (Х1) и расхода ПАВ (Х2). А-область оптимума

По результатам построения математической модели была проведена оптимизация составов ПГЦМ для изделий различной плотности, которые представлены в табл. 4.

Таблица 4 Результаты оптимизации состава ПГЦМ

Расход компонентов, кг/м3	Средняя плотность, кг/м3
	350	400	450
Гипсовое вяжущее	268±4	296±5	329±6
Цеолит	48±2	53±3	59±4
Вода	214±7	237±8	263±9
ПАВ	0,4±0,05	0,45±0,06	0,5±0,07

Для определения сорбционных способностей ПГЦМ в процессе эксплуатации была разработана методика, которая позволяет оценить работу материала в реальных условиях.

Суть методики заключается в принудительной прокачке загрязненного газа через материал с последующим анализом прошедшего газа на его чистоту. Для этого в реактор помещался исследуемый материал, с одной стороны реактора подавался газ-носитель, а с другой стороны через гибкую трубку газ поступал в колбу с раствором-индикатором на загрязняющую добавку. В качестве газа-носителя выбран воздух, а в качестве загрязняющего газа - аммиак. В качестве индикатора выбран фенолфталеин в связи с его высокой чувствительностью к аммиаку, что проявляется в окрашивании водно-спиртового раствора фенолфталеина.

В процессе подачи газа-носителя в реактор и прохождения его через толщу исследуемого материала часть его адсорбируется в сорбенте, а часть может проходить через материал и попадает в колбу с раствором-индикатором. В результате взаимодействия газа-носителя (аммиака) с индикатором (фенолфталеином) раствор приобретает красно-фиолетовое окрашивание. Пока загрязняющее вещество (аммиак) не проходит через материал, индикатор не окрашивается.

Таким образом, в зависимости от времени, которое проходит до окрашивания раствора индикатора при постоянном нагнетании паров аммиака в толщу материала и последующем его попадании в раствор-индикатор, можно судить о сорбционных возможностях исследуемых материалов.

В результате проведенных исследований установлено, что для различных материалов окрашивание раствора индикатора наступает в разное время, так для минеральной ваты окрашивание наступает через 29 секунд после начала эксперимента, для бетона 1 минуту 27 секунд, для ПГЦМ 12 минут 34 секунды, для цеолита 131 минуту, что согласуется с теоретическим обоснованием работы.

Звукопоглощение лицевых элементов подвесных потолков является одной из важнейших функций ПГЦМ. Для исследования звукопоглощения (рис.6) были использованы поризованные гипсоцеолитовые материалы плотностью 400 кг/м3 и содержанием цеолита 0; 10 и 20 % по массе от гипсового вяжущего, без перфорации и с перфорацией 15%. Исследования проводились в лаборатории акустических материалов при государственном научном учреждении НИИСФ РААСН.

Рис.6. Звукопоглощение перфорированных ПГЦМ плотностью 400 кг/м3 с относом 50 мм. Содержание цеолита, % соответственно 1, 2, 3 - 0, 10, 20

Установлено, что увеличение количества цеолита в ПГЦМ снижает звукопоглощающие способности исследуемых материалов. Образцы, не содержащие цеолит, обладают лучшим коэффициентом звукопоглощения на средних частотах, чем образцы с 10 и 20% содержанием цеолита. Однако, при устройстве перфорации диаметром 3 и 5 мм. до 15% от общей площади звукопоглощающая способность исследуемых материалов возрастает.

Результат исследования образцов с перфорацией и устройством относа на 50 мм., представленное на рис.6 показывает, что материалы с таким расположением обладают значительно лучшим коэффициентом звукопоглощения. Особенно отчетливо это видно на низких и средних частотах.

Для исследования на горючесть ПГЦМ была использована установка по определению группы негорючих материалов «ОГНМ». Испытания проводились в государственном учреждении «Судебно-экспертный центр федеральной противопожарной службы по городу Москве». По результатам испытаний было установлено, что ПГЦМ относятся к группе негорючих материалов (НГ), являются невоспламеняемыми, нетоксичными (Т1) и не образующими дыма (Д1) и, как следствие, являются пожаробезопасными и могут быть рекомендованы к применению как элементы подвесных потолков.

Основные характеристики разработанных ПГЦМ представлены в табл. 5.

Таблица 5. Технические характеристики поризованных гипсоцеолитовых плит

Наименование показателей	Значение показателей
Средняя плотность кг/м3	350	400	450
Предел прочности при сжатии, МПа	0,4	0,54	0,63
Масса 1 м.кв., кг.	8,75	10	11,25
Группа горючести	НГ	НГ	НГ
Класс звукопоглощения в области:
- низких (Н) частот (63-250 Гц)	2	3	3
- средних (С) частот (500 - 1000 Гц)	1	1	2
- высоких (В) частот (>1000 Гц)	1	2	2

Полученные ПГЦМ обладают достаточной прочностью, высоким звукопоглощением и декоративностью, являются негорючими, что подтверждает их многофункциональность как лицевых элементов подвесных потолков.

В диссертации разработаны рекомендации по производству поризованных гипсоцеолитовых материалов, включающие в себя требования к материалам, оптимизацию составов ПГЦМ, технологию изготовления и контроль качества изделий.

Технико-экономический расчет экономической эффективности выполненный по сравнению с существующими аналогами показал, что при устройстве 100 м2 подвесных потолков с применением ПГЦМ составляет 44 812 руб. Опытное опробование технологии было выполнено на научно производственном предприятии «Радиострим». Была выпущена партия ПГЦМ объемом 50 м2.

Таким образом, производство и применение плит ПГЦМ является экономически выгодным, что позволяет рекомендовать разработанные материалы для применения в строительной практике.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Научно обоснован факт проявления цеолитами, находящимися в структуре пеногипса, очищающих свойств и кинетики сорбции вредных веществ, в основе которых лежит совместная работа системы разветвленной пористости, характерной для пеногипса и каналов молекулярных размеров, присущих цеолиту.

2. Разработана технология получения поризованных гипсоцеолитовых изделий, основанная на методе сухой минерализации пены гипсовым вяжущим с добавлением тонкодисперсных фракций цеолита.

3. Разработаны изделия на основе поризованного гипсоцеолитового материала многофункционального назначения плотностью 400 кг/м3, прочностью на сжатие 0,54 МПа, относящиеся к классу звукопоглощения НСВ-312, группе горючести НГ.

4. Доказано, что эффективность ПГЦМ определяется на микроуровне размером молекулярных сит, определеляя сорбционные свойства материала и на уровне макропористости - эффективность звукопоглощения.

5. Разработан оптимальный состав материала, включающий гипсовое вяжущее, поверхностно-активные вещества, синтетические или природные цеолиты и воду при расходе на 1 м3 продукции:

- гипсовое вяжущее Г-6А1 296 кг;

- цеолит 53 кг;

- ПАВ Пентопав 430 марки А 0,45 кг;

- вода 237 кг.

6. Обосновано применение цеолита как компонента, обеспечивающего снижение концентрации вредных веществ в качестве заполнителя для получения эффективных декоративно-акустических пеногипсовых материалов с высокой сорбционной способностью.

7. Установлена целесообразность применения гипсового вяжущего в поризованном виде, так как в этом случае сорбционные и акустические способности материала значительно возрастают, а поверхность контакта гипсового вяжущего и цеолита является точечной, что позволяет свести к минимуму блокировку входных каналов цеолитов.

8. Установлен оптимальный фракционный состав цеолита для применения в ПГЦМ - 0,63-1,25 мм., так как фракция 1,25-2,5 мм. снижает прочностные характеристики материала, а фракция 0,14-0,63 мм. имеет менее ровную кинетику насыщения. Отмечена более высокая сорбционная емкость цеолитов NaX по сравнению с природными цеолитами Холинского и Сокирницкого месторождений.

9. Получены многофакторные зависимости средней плотности и прочности при сжатии отражающие влияние содержания гипсового вяжущего, воды затворения, цеолита и ПАВ, позволяющие получать изделия с оптимальными функциональными свойствами.

10. Выявлены новообразования в результате взаимодействия цеолита с вредными веществами (фенол, формальдегид). Путем рентгеноструктурного анализа установлено, что в результате сорбции имеет место взаимодействие между цеолитом и сорбатом.

11. Разработана методика определения сорбционных способностей материалов, позволяющая определить сорбционную емкость различных пористых материалов.

12. Технико-экономические расчеты подтверждают целесообразность применения поризованных гипсоцеолитовых материалов в качестве лицевых элементов подвесных потолков.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Румянцев Б.М., Орлов А.В. Гипсовые листы, улучшающие воздух.// В сб. научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов. - М., МГСУ 2008. - с.146-149

2. Румянцев Б.М., Орлов А.В. Разработка и исследование гипсоцеолитовых материалов с повышенной сорбционной способностью.// В сб. научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов. - М., МГСУ 2009. - с.154-157

3. Румянцев Б.М., Орлов А.В. Разработка и исследования гипсоцеолитовых материалов с повышенной сорбционной способностью.// Двенадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов. - М., МГСУ 2009. - с.428-430

4. Румянцев Б.М., Орлов А.В. Гипсоцеолитовые материалы с повышенной сорбционной способностью.// Тринадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов. - М., МГСУ 2010. - с.557-560

5. Румянцев Б.М., Орлов А.В. Многофункциональные гипсоцеолитовые материалы с повышенной сорбционной способностью.// Строительные материалы, №11. - М., 2010. - с.30-32

6. Румянцев Б.М., Орлов А.В. Многофункциональные гипсоцеолитовые поризованные материалы.// Вестник МГСУ, № 4. - М., 2010. - с.137-141

Размещено на Allbest.ru