CC BY
18Строкова В. В., советник РААСН, д-р техн. наук, проф., Череватова А. В., д-р техн. наук, проф., Павленко Н. В., канд. техн. наук, Мирошников Е. В., канд. техн. наук, Шаповалав Н. А., д-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ВЯЖУЩЕГО ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЛЕГКОВЕСНЫХ ЯЧЕИСТЫХ КОМПОЗИТОВ*
strokova@intbel.ru
Описаны основные принципы получения пенобетона на основе наноструктурированного вяжущего (НВ). Представлена комплексная взаимосвязь факторов, определяющих фазовый состав и межфазовые взаимодействия в минерализованной пеносистеме и конечных характеристик пенобетона, зависящих от особенностей механизма структурообразования при формовании.
Приведенные результаты исследований подчеркивают преимущества пенобетона на основе НВ перед существующими аналогами.
Ключевые слова: наноструктурированное вяжущее (НВ), пенобетон, пеносистема.
Развитие рыночных отношений в экономике страны вызвало резкий рост цен на энергоносители. В связи с этим встала задача экономии энергоресурсов, в том числе и снижения энергозатрат при эксплуатации зданий. В связи с этим традиционные и широко применяемые в строительстве стеновые материалы, такие как керамический и силикатный кирпич, легкие бетоны на различных пористых заполнителях и другие, оказались неэффективными.
В большей степени отвечают современным требованиям легковесные ячеистые композиты. Ячеистые бетоны, получаемые путем пенообра-зования, на сегодняшний день являются наиболее эффективным теплоизоляционным материалом, широко применяемым при строительстве.
Характеристики и качество пенобетона напрямую зависят от его структуры, которая формируется в процессе активации и минерализации пены. Огромное влияние на свойства ячеистого композита оказывают сырьевые компоненты, главным образом пенообразователи и вяжущие вещества.
Основными сырьевыми компонентами для производства пенобетонов являются вяжущие вещества, в качестве которых, как правило, используют портландцементы различных типов и классов по прочности, песок.
В настоящее время достаточно большое количество работ, направленных на получение эффективных теплоизоляционных материалов ячеистой структуры, связаны с повышением удельной поверхности сырьевых компонентов. Использование мелкодисперсного вяжущего и заполнителей, выбор правильных режимов активации пены и перемешивания пенобетонной смеси обеспечивает создание однородной формовочной массы.
Цементная промышленность выпускает достаточно широкий ассортимент цементов, отличающийся по марочной прочности и вещественному составу.
В базовой для строительства отрасли - цементной промышленности объем инвестиций на 1 тонну цемента возрастет от 5-6 долларов на тонну мощности в год при поддержании и ремонте существующих мощностей, до 250-300 долларов на тонну при строительстве новых заводов. При сохранении нынешней ситуации в отрасли уже в скором времени на рынке возникнет устойчивый дефицит цемента, особенно по его высшим маркам.
Немало важным является постоянный рост цен на цемент и отрицательное влияние его производства на экосферу. Особенно актуальна это проблема для северных, восточных регионов нашей страны, где отсутствуют крупнотоннажные предприятия по производству цемента, а стоимость импортного материала неоправданно высока. В настоящее время появилось много интересных предложений по технологии получения малоцементных и бесцементных автоклавных ячеистых бетонов, а также по формованию безавтоклавных изделий на основе обычных цементов и новых вяжущих веществ.
В связи с этим перспективным является создание альтернативных вяжущих, способных частично или полностью заменить цемент в наиболее широком диапазоне классов строительных материалов. К таким вяжущим можно отнести бесцементное наноструктурированное вяжущее.
Присутствие в смеси частиц твердой фазы различного гранулометрического состава положительно сказывается на свойствах материала. Это позволяет существенно повысить однород-
ность распределения пор в объеме материала и получить пенобетон с меньшей объемной массой.
В течение последних 30 лет ведутся научные исследования по разработке новых вяжущих на основе кремнеземсодержащего или алюмосиликатного сырья, имеющих принципиально отличающийся характер твердения. Возможность получения вяжущих, твердеющих преимущественно по безгидратационному механизму была предсказана еще В. Н. Юнгом [1]. Основополагающими в процессе разработки высококонцентрированных вяжущих систем, которые являлись предшественниками нанострукту-рированных вяжущих, явились работы Ю.Е. Пи-винского по керамическим материалам на основе кварцевого стекла. Но данный тип вяжущего оказался мало пригоден для промышленности строительных материалов, что связано с реотех-нологическими характеристиками системы. В работе А.В. Череватовой было предложено и подтверждено экспериментально применение комплекса модифицирующих добавок, что позволило повысить технологичность применения вяжущего [2]. Получение наноструктурироваен-ного вяжущего происходит за счет направленной пространственной оптимизации структуры вяжущего при введении модифицирующих добавок. Наноструктурированное вяжущее на основе кварцсодержащего сырья применялось для получения пенобетона, что позволило создать ячеистый композит с улучшенными эксплуатационными характеристиками [3]. Можно сделать вывод о перспективности применения НВ для получения эффективных теплоизоляционных материалов неавтоклавного твердения.
а
Рисунок 1. Микроструктура Толщина межпоровой перегородки в структуре пенобетона на основе НВ составляет 4,5 мкм, в то время как максимальная толщина межпорового пространства 30 мкм (рис. 2, б),
Для получения легковесных ячеистых композитов использовались высококонцентрированные вяжущие системы (ВКВС) и наноструктурированное вяжущее (НВ) негидратационного типа твердения. Дисперсность вяжущего оказывает значительное влияние на особенности получения пено-массы и на характеристики получаемого материала при структурообразовании. Высококонцентрированные и наноструктурированные вяжущие негидратационного твердения отличаются по концентрации слагаемого наноразмерного вещества. Для ВКВС характерно присутствие до 2 % частиц наноуровня, для НВ - до 10 % соответственно. С целью обоснования выбора нанострук-турированного вяжущего для получения легковесного пенобетона, проведен анализ характера формирования поровой структуры композита на основе высококонцентрированных вяжущих систем (рис. 1) и на основе наноструктурированного вяжущего (рис. 2).
Характер поровой структуры образцов на основе ВКВС определяется наличием рваных, сообщающихся пор большей частью неправильной формы (рис. 1, а) при этом общая масса, слагающая пенобетон, отличается высокой степенью рыхлости, отсутствием ярко выраженных изометричных пор, изолированных друг от друга, и достаточно широкими межпоровыми перегородками (рис. 1, а, б). Микроструктура пенобетона на основе наноструктурированного вяжущего имеет ярко выраженную ячеистую структуру (рис. 2, а, г) с изометричными порами и более гладкими по сравнению с материалами на основе ВКВС стенками пор, четко выраженными границами между отдельными порами, которые отличаются более тонкой межпоровой перегородкой (рис. 2, в, г). б
Maq = 100КХ 20|jm ЕНТ = 20.00 kV Signal A = VPSE MSU HSMS
|-1 WD= 12mm Photo No. = 5370 Date :11 Dec 2008
пенобетона на основе ВКВС
для пенобетона на основе высококонцентрированных вяжущих систем толщина межпоровой перегородки составляет 44 мкм (рис. 1, б). Это свидетельствует о том, что на основе НВ воз-
можно получение материала со значительно меньшей плотностью. Более рыхлая структура основной массы пенобетона на основе ВКВС объясняет возможность снижения прочности материла на основе данного типа вяжущего. Характер внутренней части поры в структуре пенобетона на основе НВ более гладкий и даже при высоком увеличении четко выражена изо-метричность пор (рис. 2, г). Микроструктура межпорового пространства повторяет картину, которую наблюдали при изучении структуры вяжущих. Основная масса пенобетона сложена
полидисперсным обломочным материалом с высокой степенью плотности упаковки на НВ и более рыхлой структурой материала на основе ВКВС. Омоноличивание кремнеземистого вещества наиболее ярко проявляется на фотографиях микроструктуры пенобетона на основе нано-структурированного вяжущего, т.к. наблюдаются участки, где практически отсутствуют границы между отдельными зернами - линия перехода зерен различной дисперсности при отсутствии четких границ.
Мад= 500 X 100|Ж1 1- ЁНТ = 20.00 Ядпа1 А = УРЭЕ МБи НЭМБ —| У1/0= 14 тт РЬоГо N0. = 7450 0а»е :21 ^п 2009
Мад= 5 00 К X 10мт ЕНТ = 20.00 кУ Е.дпа! А = \ZPSE МСи НСМ5
|-1 УУР = 14 тт РИоЮ N0. = 7453 0<йе 21 ^п 2009
Рисунок 2. Микроструктура пенобетона на основе НВ
Исходя из анализа микроструктуры систем на основе различных вяжущих, можно сделать вывод о перспективности применения нано-структурированного вяжущего для получения легковесных ячеистых композитов без ухудшения структуры материала, что выражается в высоких технико-эксплуатационных показателях синтезируемых композитов. Использование НВ при получении пенобетонов позволит снизить плотность последних за счет формирования более плотной упаковки частиц и, как следствие, более прочных межпоровых перегородок.
Высокая плотность межпоровой перегородки подтверждена анализом нанопористости пенобетона, определенная с помощью многоточечного метода БЭТ. Показатель пористости межпоровой перегородки, наличие наноразмер-ных пустот и дефектов, оказывают значительное влияние на характер поровой структуры материала и его технико -эксплуатационные характеристики. Ячеистые материалы на различных типах вяжущего проранжированы по степени увеличения нанопористости в ряду: цемент - ВКВС -НВ. Наименьшая нанопористость характерна
для ячеистых легковесных композитов на основе наноструктурированного вяжущего негидрата-ционного твердения. Повышенная нанопори-стость, характерная для материалов на основе высококонцентрированных и цементных вяжущих, свидетельствует и объясняет более рыхлую микроструктуру материала и приводит к снижению прочностных характеристик.
Наиболее перспективным, с точки зрения применения к пенобетонам, является вяжущее с большим количеством нанодисперсного вещества, которое способствует формированию плотнейшей упаковки из полидисперсного минерального вещества, что будет обеспечивать более высокие прочностные характеристики, при снижении расхода вяжущего на единицу объема вещества, за счет его высокой подвижности. Использование НВ в качестве вяжущего при производстве пенобетона способствует формированию однородной поровой структуры. При этом формируется плотная и прочная меж-поровая перегородка, за счет присутствия частиц наноразмерного уровня, которые выступают в качестве наноразмерного заполнителя микро- и нанопустот, что обеспечивает достаточные прочностные характеристики ячеистого композита.
*Данная работа выполнена при финансовой поддержки в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы научно-исследовательские работы по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области нанотехнологий и наноматериалов» шифр «(2010-1.1-207-075)» по теме «Создание нового класса минеральных наноструктурированных вяжущих негидратационного типа твердения для производства высококачественных строительных материалов различного функционального назначения» (шифр заявки «2010-1.1-207075-134»).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ / В.Н. Юнг. - М.: Стройиздат, 1951. -540 с.
2. Комплексная модифицирующая органо-минеральная добавка для алюмосиликатных огнеупорных систем на основе высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий / Н.А. Шаповалов, А.В. Череватова, А.А. Слю-сарь и др // Химия и химическая технология. -2003. - Т. 46, вып. 5. - С. 137-140.
3. Череватова А.В. Пенобетон на основе наноструктурированного вяжущего / А. В. Чере-ватова, Н.В. Павленко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - № 3. - С. 115-119.
