Фиброгипсобетонные композиты с применением вулканических горных пород (стр. 1 )

На правах рукописи

ХЕЖЕВ Хасанби Анатольевич

ФИБРОГИПСОБЕТОННЫЕ КОМПОЗИТЫ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре строительных материалов и технологий

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН
Официальные оппоненты:	, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, ФГКВОУ ВПО «Военный институт (инженерно-технический) Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии », г. Санкт-Петербург, кафедра технологии, организации и экономики строительства, профессор;
	, кандидат технических наук, +», г. Санкт-Петербург, старший научный сотрудник
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Защита диссертации состоится «12» ноября 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Теле

Email: *****@***ru

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

Автореферат разослан «_____» ___________2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Повышение качества, эффективности, экологической и пожарной безопасности, долговечности и надежности конструкций и сооружений является одной из важнейших задач строительства. При оценке конкурентоспособности строительных материалов, изделий и конструкций необходимо учитывать, что в последние годы стоимость энергоносителей резко возросла, также повысились и транспортные расходы. Поэтому актуальной задачей является разработка новых эффективных композитов на основе техногенного сырья и местных материалов, которые отличаются низкой себестоимостью и улучшенными физико-механическими характеристиками.

Разработки в области гипсовых вяжущих, материалов и изделий указывают на то, что имеются все необходимые условия для эффективного использования их как в традиционных, так и в новых направлениях строительства. Изделия из гипса отличаются относительной легкостью, прочностью, низкой тепло - и звукопроводностью, достаточной огнестойкостью. Вместе с тем гипсовые вяжущие и изделия имеют следующие недостатки: значительная хрупкость, низкая водостойкость, низкая морозостойкость, высокая ползучесть при увлажнении. Для уменьшения расхода гипсового вяжущего и уменьшения деформации изделий при сушке в формовочную массу вводятся органические или неорганические заполнители. Но, как правило, заполнители в той или иной степени снижают механическую прочность гипсобетонных изделий.

Преодоление многих недостатков гипсовых вяжущих и изделий возможно в результате создания композитов с использованием эффективных заполнителей и дисперсного армирования. Заполнителем для гипсобетонных композиционных материалов могут служить вулканические горные породы, в том числе отходы пиления туфа, которые в результате физико-химических взаимодействий позволят формировать улучшенные структуры композита. Кроме того, решается проблема утилизации техногенного сырья.

Диссертационная работа посвящена разработке научно обоснованных способов получения эффективных фиброгипсобетонных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами с применением вулканических горных пород.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме НИР «Развитие фундаментальных основ и практических принципов получения строительных конструкций повышенной эксплуатационной надежности и безопасности (государственный регистрационный номер: ).

Степень разработанности темы исследования. Работа основана на теоретических исследованиях российских ученых, направленных на разработку эффективных композиционных материалов с применением гипса: , , , , и др.

В работе использованы исследования российских ученых, направленных на разработку теоретических принципов и практических основ создания фибробетонов: , , , , , и др.

Цель и задачи исследования

Цель исследования − разработка эффективных фиброгипсобетонных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами с применением вулканических горных пород.

Объектом исследования являются фиброгипсотуфобетонные композиты.

Предметом исследования являются составы, свойства и технология фиброгипсотуфобетонных композитов и изделий различного назначения.

Задачи исследования

1.  Осуществить анализ имеющихся разработок в области исследования и производства гипсовых вяжущих и гипсобетонов с использованием различных заполнителей и армирующих материалов.

2.  Обосновать эффективность использования отходов производства вулканического туфового камня для получения гипсобетонов.

3.  Разработать составы гипсотуфобетонных композитов и исследовать их свойства в зависимости от соотношения гипса, туфового песка и негашеной извести.

4.  Исследовать минералогический состав гипсоизвестковотуфобетонного композита.

5.  Разработать составы гипсоизвесткововермикулитотуфобетонного и гипсоизвестковоцементовермикулитотуфобетонного композитов и исследовать их огнезащитные свойства экспериментальными и расчетными методами.

6.  Определить влияние параметров дисперсного армирования базальтовыми волокнами на свойства фиброгипсотуфобетонных и фиброгипсовермикулитотуфобетонных композитов.

7.  Предложить и исследовать технологические решения, направленные на улучшение эксплуатационных свойств предлагаемых материалов.

8.  Разработать технологический регламент производства плит для перегородок из фиброгипсоизвестковотуфобетонного композита, произвести экспериментальную проверку предлагаемых решений в условиях действующего производства и определить технико-экономическую эффективность.

Методологической основой диссертационного исследования послужили разработки и основные положения строительного материаловедения в области гипсовых композиционных материалов, методы математического планирования эксперимента, существующая нормативная база, основные положения теории прочности и теплопроводности строительных материалов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия, пункту 7 «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности».

Научная новизна исследования

1.  Разработана сырьевая смесь для изготовления фиброгипсотуфобетонного композита с улучшенными физико-механическими свойствами, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5–31,7 % по сравнению с гипсовыми. Исследованы влияние соотношения компонентов, зернового состава туфового заполнителя, параметров фибрового армирования на их свойства и минералогический состав новообразований.

2.  Установлена зависимость свойств фиброгипсотуфобетонного композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

3.  Разработаны новые составы многокомпонентного гипсоизвесткововермикулитотуфобетонного и гипсоизвестковоцементо-вермикулитотуфобетонного композитов. Проведены экспериментально-теоретические исследования огнезащитных свойств, получены выражения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости композитов.

4.  Получена математическая модель прочности фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита в зависимости от процента армирования и отношения длины волокон к их диаметру, исследованы огнезащитные свойства, установлена зависимость свойств композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

Новизна технических решений подтверждена 3 патентами на изобретения.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработаны и оптимизированы составы эффективных гипсобетонных композитов различного назначения на основе вулканических горных пород, позволяющие снизить стоимость изделий и решить вопросы утилизации техногенного сырья. Разработана программа для расчета огнестойкости строительных конструкций с применением разработанных гипсобетонных композитов численными методами. Разработан технологический регламент на производство перегородочных плит с применением фиброгипсотуфобетонных композитов.

Разработанные составы фиброгипсотуфобетонных композитов прошли промышленную проверку при выпуске опытной партии перегородочных плит в . Предложенные составы фиброгипсовермикулитотуфобетонных композитов применяются в для огнезащиты строительных конструкций.

Результаты экспериментальных исследований и теоретические положения, полученные при выполнении диссертационной работы, используются кафедрой «Строительные материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» и кафедрой «Строительное производство» ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. » в учебном процессе на специальностях «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Промышленное и гражданское строительство», а также при подготовке бакалавров и магистров направления «Строительство». Материалы диссертационной работы использованы автором при выполнении выпускной квалификационной работы, занявшей 1 место на Всероссийском конкурсе выпускных квалификационных работ по специальности 270102 Промышленное и гражданское строительство в номинации «Дипломная работа» в 2011 г.

Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций подтверждается проведенными автором экспериментами, использованием поверенного оборудования, применением современных методов исследования и обработки полученных результатов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также результатов, полученных в лабораторных и производственных условиях, адекватностью принятых математических моделей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: V-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2009); IV-й Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2009); Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «ПЕРСПЕКТИВА–2010» (Нальчик, 2010); IV-й Международной конференции «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов» (Архангельск, 2010); V-й Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Махачкала, Ростов-на-Дону, 2010); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ПЕРСПЕКТИВА–2011» (Нальчик, 2011); Международной научно-практической конференции «Строительство–2011» (Ростов-на-Дону, 2011); VI-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2011); 64-й Международной научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2011); I-м Международном конгрессе молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 печатных изданиях общим объемом 6,75 п. л., лично автором – 3,47 п. л., в том числе 6 работ опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ, и 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по каждой из них, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа представлена на 160 страницах, содержит 21 рисунок, 43 таблицы, список использованных источников из 185 наименований и приложений с документами, подтверждающими внедрение результатов работы.

Автор выражает благодарность за научные консультации д. т.н., профессору .

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости.

В первой главе рассматриваются состояние вопроса, цель и задачи исследований.

Во второй главе приводятся характеристика используемых материалов и методика исследований.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния соотношения компонентов на свойства гипсотуфобетонной матрицы, химического и минералогического состава гипсоизвестковотуфобетонного композита, влияния зернового состава заполнителя и параметров армирования на свойства фиброгипсотуфобетонного композита, технологии приготовления смеси и формования изделий из фиброгипсотуфобетонного композита.

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния соотношения компонентов на свойства фиброгипсоизвесткововермикулито-туфобетонного и гипсоизвестковоцементовермикулитотуфобетонного композитов, экспериментально-теоретических исследований их огнезащитных свойств, влияния технологических факторов на свойства композитов.

В пятой главе приведены результаты внедрения и расчета технико-экономической эффективности разработанных композитов для производства перегородочных плит и огнезащиты строительных конструкций.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1.  Разработана сырьевая смесь для изготовления фиброгипсотуфобетонного композита с улучшенными физико-механическими свойствами, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5–31,7 % по сравнению с гипсовыми (патент РФ № 000). Исследованы влияние соотношения компонентов, зернового состава туфового заполнителя, параметров фибрового армирования на их свойства и минералогический состав новообразований.

На основании проведенного обзора литературных данных для фиброгипсобетонных композитов в качестве заполнителя применялись вулканические горные породы, в частности отходы пиления вулканического туфа, так как они одновременно могут служить в качестве активной минеральной добавки и заполнителя, что позволит существенно уменьшить расход гипса и решить вопросы утилизации промышленных отходов.

Для решения поставленных задач в исследованиях использованы: гипсовое вяжущее марки Г–4–II–А; воздушная негашеная известь кальциевая порошкообразная; песок из отходов пиления вулканического туфа Заюковского месторождения с максимальной крупностью зерен 5 мм; базальтовое волокно производства марки РНБ–9–1200–4с.

Образцы размером 4х4х16 см формовали литьевым способом и осуществляли естественную сушку в воздушно-сухих условиях. Испытание образцов выполнялось в соответствии с ГОСТ 23789–79.

Для оптимизации состава гипсотуфобетонной матрицы исследовалось влияние соотношения компонентов гипса, туфового песка и негашеной извести на их свойства (табл. 1).

Таблица 1

Влияние соотношений гипса, туфового песка и негашеной извести на физико-механические свойства гипсобетонного композита

№ сос-тава	Соотношение компонентов, мас. %	Показатели свойств гипсобетонного композита
гипс	туфовый песок	известь	вода	средняя плотность, кг/м3	предел прочности при изгибе (МПа) в возрасте, сут	предел прочности при сжатии (МПа) в возрасте, сут
		1	7	28	1	7	28
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	67,0	–	–	33,0	1232	1,9	2,8	3,3	4,1	10,2	10,4
2	35,0	35,0	–	30,0	1307	0,3	1,9	2,0	2,1	4,3	4,8
3	33,0	33,0	4,9	29,1	1340	0,3	2,0	2,8	2,3	6,7	9,0
4	31,7	31,7	7,9	28,7	1350	0,4	2,1	3,0	2,9	6,8	10,3
5	30,5	30,5	10,6	28,4	1364	0,5	2,2	3,3	2,9	7,1	11,0
6	29,3	29,3	13,2	28,2	1371	0,4	2,1	3,1	2,4	6,5	9,7
7	24,3	48,6	–	27,1	1387	0,1	0,3	0,7	0,6	2,5	3,2
8	23,1	46,2	3,5	27,2	1381	0,1	0,4	1,7	0,6	2,9	4,0
9	22,5	45,0	5,6	26,9	1391	0,1	0,7	1,9	0,7	3,8	6,0
10	21,7	43,4	7,6	27,3	1385	0,1	1,3	2,4	0,6	3,7	5,6

В результате исследований предложена сырьевая смесь для изготовления гипсотуфобетонного композита, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5–31,7 % без снижения прочности гипсобетона. Выявлено оптимальное соотношение компонентов для изготовления гипсобетонного композита, мас. %: гипсовое вяжущее 30,5–31,7; туфовый песок 30,5–31,7; негашеная известь 7,9–10,6; вода – остальное. Гипсобетонный композит имеет повышенный коэффициент размягчения – 0,65. Кроме того, добавка извести замедляет сроки схватывания смеси: начало схватывания – с 5 до 11 мин, конец схватывания – с 8 до 14 мин.