CC BY
22
Строительные материалы и изделия
Научная статья УДК 61.535
DOI https://doi.org/10.24866/2227-6858/2023-1/90-101
Л.Х. Загороднюк, Аль Мамури Саад Кхалил Шадид, Д.А. Сумской, А.Л. Бочарников
ЗАГОРОДНЮК ЛИЛИЯ ХАСАНОВНА - доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9840-4414
АЛЬ МАМУРИ СААД КХАЛИЛ ШАДИД - аспирант, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6827-6976
СУМСКОЙ ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - кандидат технических наук, старший преподаватель, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-0001-6139 БОЧАРНИКОВ АНДРЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ - студент, eng¡neersm¡k@gma¡l.comн, https://orcid.org/0000-0002-7477-803X
Кафедра строительного материаловедения, изделий и конструкций Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Белгород, Россия
Теплоизоляционные растворы с использованием вермикулита и их оптимизация
Аннотация. Разработка эффективных составов и получение теплоизоляционных материалов с высокими теплозащитными показателями актуальна и требует глубокого изучения. В статье изложены результаты оптимизации состава теплоизоляционного раствора, приготовленного на композиционном вяжущем, вспученного вермикулита как заполнителя и различных функциональных добавок. Приведены результаты оптимизации состава вяжущей композиции на основе портландцемента и вермикулита суперпластификатором MELMENT F10. Установлена оптимальная дозировка суперпластификатора, обеспечившая плотность композиционного вяжущего 1933 кг/м3 при прочности 58,2 МПа. Подобраны функциональные добавки для обеспечения требуемых физико-механических и эксплуатационных свойств теплозащитного раствора. Изучено влияние на плотность и прочность состава теплоизоляционного раствора различных дозировок порообразователя Esapon 1214, суперпластификатора Mel-ment F10, редиспергирующего порошка Vinnapas LL 4042 К Получено уравнение регрессии для средней плотности и средней прочности теплоизоляционных растворов. Полученные уравнения регрессии и номограммы, построенные по ним, позволяют оптимизировать технологический процесс и эффективно им управлять. Методом математического планирования эксперимента подобран состав теплоизоляционного раствора, имеющий минимальное значение по плотности 490 кг/м3 при прочности на сжатие 2,3 МПа. В ряду современных штукатурных смесей для теплоизоляционных штукатурных растворов разработанные составы характеризуются улучшенными теплотехническими свойствами при оптимальных технико-экономических показателях.
Ключевые слова: вспученный вермикулит, вяжущая композиция, композиционные вяжущие, теплозащитные растворы, портландцемент, низкая плотность, модифицирующие добавки
Для цитирования: Загороднюк Л.Х., Аль Мамури Саад Кхалил Шадид, Сумской Д.А., Бочарников А.Л. Теплоизоляционные растворы с использованием вермикулита и их оптимизация // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2023. № 1(54). С. 90-101.
Введение
В соответствии с программой энергосбережения и развития жилищного строительства Российской Федерации и реализации Федерального закона №185-ФЗ "О содействии реформированию жилищно-коммунального хозяйства" особую актуальность приобретает создание новых
© Загороднюк Л.Х., Аль Мамури Саад Кхалил Шадид, Сумской Д.А., Бочарников А.Л., 2023 Статья поступила: 20.01.2023; рецензирование: 07.02.2023.
эффективных строительных материалов с высокими теплозащитными и эксплуатационными свойствами, способных конкурировать с зарубежными аналогами.
Энергопотребление городских зданий и загородных коттеджей составляет около 43% от всей вырабатываемой энергии, из которых 90% уходит на отопление, что в 2,5-4 раза больше в сравнении с таковым развитых западных стран. В связи с отсутствием хорошей теплозащиты зданий и сооружений около 70% энергии, растворяясь в воздухе, отапливает окружающую среду, что является весьма отрицательным фактором в защите и поддержании устойчивого климата на планете. При строительстве дома затраты на создание теплоизоляции относительно малы, но при вводе здания в эксплуатацию основные затраты приходятся на его отопление. Создание качественной теплоизоляции обеспечивает экономию до 50% энергии, затрачиваемой на отопление. Кроме того, неуклонное возрастание цен на энергоносители и климатические условия многих стран требуют активного развития производства теплоизоляционных материалов.
Во многих странах широкую популярность получили теплоизоляционные растворы с использованием заполнителей с пористой структурой, которые гарантируют получение высоких теплозащитных свойств, о чем свидетельствует значительный опыт использования пемзы [9], вспученных глин [16], диатомита [24], вспученного перлита [3- 5, 13, 18, 26], вспученного вермикулита [1, 2, 6-8, 10, 12, 19-23, 25], отходов пенополистирола [11, 14, 17], каучука [15]. Особую значимость при разработке теплоизоляционных растворов получил вермикулит [ 1, 2, 6-8, 12, 19, 21-23, 25] как заполнитель, имеющий низкую плотность, что обеспечивает высокие теплозащитные свойства создаваемых композитов. Вермикулит, относящийся к группе гидрослюд, при термообработке значительно увеличивается в объеме, приобретает «гармош-кообразную» форму и состоит из неэластичных и гибких пластинок твердостью 1,5, которые представлены гидратированными силикатами магния, алюминия и железа, образовавшимися вследствие метаморфизма слюды, в которой слои первичной слюды чередуются с гидробиотитом и вермикулитом. Использование вермикулита для приготовления композиционного вяжущего позволяет получить пористую структуру вяжущей композиции, в которой благодаря высокой дисперсности и гомогенности входящих минералов портландцементного клинкера и вермикулита будет создана высокодисперсная объемная структура, в которой частички мельчайших вермикулитовых зерен будут выступать как подложки, на которых будут формироваться кристаллогидраты кальция, алюминия, срастаясь по объему, постепенно формируя гидрогранаты с пористой структурой.
Применение вспученного вермикулита как легкого заполнителя при создании теплоизоляционного раствора обеспечит высокие теплоизоляционные свойства вследствие того, что структура вспученного вермикулита представлена вспученными пакетами и наличием значительного количества мелких и крупных пор, характеризующихся продолговатой формой. Отмечается, что в большем объеме крупные поры занимают приблизительно 30%, мелкие поры -до 65%. Кроме того, внутри вспученного вермикулита содержится значительное количество выпуклых линз, в которых формируются дополнительные крупные поры, способствуя снижению плотности. Следует учитывать, что особенным свойством вермикулита является то, что до температуры 100 °С теплопроводность мелких фракций вермикулита больше, чем крупных, хотя они имеют меньшую плотность. При возрастании температуры просматривается обратная зависимость, что связано с различным конвективным теплообменом различных фракций, так как в крупных фракциях он больше, чем в мелких. Это служит основанием для использования при создании теплоизоляции для обычных температур - крупных фракций, а для высоких температур - более мелких.
Во всех проведенных ранее исследованиях вермикулит использовался исключительно как легкий заполнитель, целью же настоящей работы является попытка снизить плотность теплоизоляционных растворов, приготовленных с использованием вспученного вермикулита как заполнителя за счёт снижения плотности цементного вяжущего и использования функцио-
нальных добавок. Для реализации изложенной гипотезы необходимо создать вяжущее, обладающее пониженной плотностью при обеспечении требуемой прочности, а также провести оптимизацию полученных теплоизоляционных растворов.
Материалы и методы
В качестве сырьевых материалов для проведения испытаний использовали портландцемент ЦЕМ 0 42,5Н ГОСТ 31108 - 2020 с удельной поверхностью 308 м2/кг. В качестве легкого наполнителя и заполнителя использовали вспученный вермикулит, полученный в результате термообработки природного вермикулита Потанинского месторождения Челябинской области (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав вермикулита (%по массе)
Химический состав
SiO2 AbO3 Fe2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O Прочее, %
43,3 15,3 13,4 2,2 17,4 1,3 0,4 2,6 4,1
В работе использовали добавки: порообразователь и смачиватель Esapon 1214, редиспер-гирующий дисперсионный порошок Vinnapas LL 4042 H, суперпластификатор Melment F10.
Добавка Esapon 1214 представляет собой мелкий белый порошок следующего состава: лаурил сульфат натрия; влажность 2%; pH (8% раствора) 9,5-10,5; плотность 0,35 г/см3, хорошо растворяется в холодной и теплой воде; рекомендуются следующие дозировки для использования: 0,005-0,03 мас. % на сухую строительную смесь.
Esapon 1214 используется в качестве порообразователя, пластификатора и смачивателя для приготовления теплоизоляционной смеси. Порообразователь Esapon 1214 обеспечивает быстрое смачивание и диспергирование строительных смесей, пониженную клейкость, облегченную перерабатываемость и улучшенные свойства при перекачке.
Воздушные поры, образованные Esapon 1214, отличаются стабильностью и существенно снижают усадку и связанное с этим растрескивание, в особенности для растворов на цементной и цементно-известковой основе.
Vinnapas LL 4042 H - редиспергируемый в воде дисперсионный порошок сополимера из винилацетата и этилена, обладает высокой стойкостью к омылению. Вследствие высокого содержания этилена отличается мягкостью и гибкостью. Температура стеклования данного полимера ниже точки замерзания. Vinnapas 4042 H повышает сцепление/адгезию, прочность при изгибе и растяжении, пластичность, стойкость к истиранию и обрабатываемость улучшенных им веществ, не оказывая при этом существенного влияния на их растекаемость, тиксотро-пию или водоудерживающую способность.
Melment F10 - сульфонированный белый порошок поликонденсации на основе мела-мина, полученный методом распылительной сушки; насыпная плотность - 450-750 г/л; потери при нагревании - макс. 4,0 мас. %; имеет рН = 9,0-11,4. Рекомендуется использовать в дозировке 0,2-1,5 мас. % на массу вяжущего.
Физико-механические характеристики вяжущих композиций, композиционных вяжущих и теплоизоляционных растворов определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка», ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний», ГОСТ Р 58277-2018 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний». Изучение теплопроводности образцов размером 150х150х20 мм, высушенных до постоянной массы, проводили на электронном измерителе теплопроводности ИТС-1.
Оптимизацию состава теплоизоляционного раствора модифицирующими добавками и исследование влияния отдельных компонентов на технологические и физико-механические свойства осуществляли методом математического планирования эксперимента (табл. 2).
Математическое моделирование является методом качественного или количественного описания объектов или процессов, при этом реальный объект, процесс или явление упрощается, схематизируется и описывается определенным уравнением. В большинстве случаев математическая модель представляет собой уравнение регрессии, то есть геометрическое место точек математических ожиданий условных распределений целевой функции. На практике в реальном производстве на целевую функцию воздействует много факторов и искомое уравнение регрессии становится многомерным.
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента
Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования
Натуральный вид Кодированный вид -1 0 +1
Порообразователь Esapon 1214 Х1 0,1 0,15 0,2 0,05
Суперпластификатор Melment F10 Х2 0,2 0,8 1,4 0,6
Редиспергирующий порошок VinnapasLL 4042 H Х3 1,5 3,0 4,5 1,5
Существует много методов отыскания уравнения регрессии, которые можно условно разделить на два класса: методы активного и методы пассивного эксперимента. Под активным экспериментом будем понимать эксперимент, предварительный план которого составлен так, чтобы получить максимальную информацию о целевой функции при минимальной её дисперсии и проведении минимального числа опытов (эффективный план). Такой план требует искусственного одновременного варьирования всеми факторами в довольно широких пределах.
Любое экспериментальное исследование содержит три этапа:
- постановка задачи;
- планирование и проведения эксперимента;
- анализ и интерпретация результатов.
Главной трудностью на этапе постановки задачи является переход с языка специальности на язык планирования эксперимента, язык математики.
Построение математической модели технологического процесса в зависимости от поставленной задачи может преследовать следующие цели: минимизировать расход материала на единицу выпускаемой продукции при сохранении качества, произвести замену дорогостоящих материалов на более дешевые или дефицитных на распространенные; сократить время обработки в целом или на отдельных операциях, перевести отдельные режимы в некритические зоны, снизить трудовые затраты на единицу продукции и т.п.; улучшить частные показатели и общее количество готовой продукции, повысить однородность продукции, улучшить показатели надежности и т.п. [26].
Оптимизация состава или технологического процесса производства любой продукции содержит важный этап: определение математической модели - уравнения связи выходного показателя качества изделия с параметрами этого изделия или технологического процесса (входными факторами). Модель - это упрощенная система, отражающая отдельные стороны явлений изучаемого объекта. Каждый изучаемый процесс можно описать различными моделями, при этом ни одна модель не может сделать это абсолютно полно и всесторонне.
Заключительный этап - анализ уравнений регрессии. В линейных моделях знак «+» при коэффициенте свидетельствует о том, что с увеличением этого фактора величина выходного параметра увеличивается, а знак «-» - о том, что убывает. Чем больше значение коэффициента, тем сильнее влияние фактора. Если необходимо получить максимальное значение выходного параметра, значения всех факторов, коэффициенты которых имеют знак «+», следует принимать максимальными, а значения коэффициентов со знаком «-» - минимальными.
С помощью уравнений регрессии можно решать интер- и экстраполяционные задачи, строить графики и номограммы, что позволяет оперативно установить значение выходного параметра при изменении каждого фактора.
При использовании номограммы можно поддерживать на заданном уровне выходной параметр, изменяя соответствующим образом факторы, входящие в уравнение регрессии.
Оптимизационные задачи заключаются в нахождении такого сочетания факторов, которое обеспечивает максимальное (минимальное) значение выходного параметра. В этом случае экстремум находят из дифференцирования уравнения последовательно по XI, Х2, Х3 и т.д. Полученная система линейных уравнений приравнивается к нулю. Путем ее решения находят значение х^ обеспечивающее экстремальное значение у:
у = 7,275 - 0,205-Х1 - 1Д53-Х2 - 2,171 • Х3 - 1,677-Х4 + 0,306-Х12 - 0,502-Х22 + + 0,353-Х32 - 1Д01-Х42 + 0,333-Х1-Х2 + 0,276-Х1-Х3 + 0,233-Х1-Х4 + 0,92-Х2-Х3 -- 0Д7-Х2-Х4 - 0,501^X3^X4.
Результаты исследований и их обсуждение
На основании ранее выполненных исследований нами были разработаны составы теплоизоляционных растворов на основе вспученного вермикулита и портландцемента ЦЕМ 0 42,5 ГОСТ 31108-2020 в их разных соотношениях, при этом изменялось водоцементное отношение от 0,3 до 0,7 в целях обеспечения необходимой формуемости образцов. Было установлено, что при смешении этих составов в соотношении 90% цемента и 10% вермикулита можно получить плотность теплоизоляционного раствора 958-1094 кг/м3 (рис. 1) с обеспечением его прочности 0,99-1,73 МПа (рис. 2). Теплоизоляционные растворы, приготовленные с содержанием вермикулита 20 и 30%, обладали пониженной плотностью 363-468 кг/м3, но образцы не имели достаточной прочности для испытаний на прессе.
Рис. 1. Плотность теплоизоляционных растворов состава: 90% цемента и 10% вермикулита,
при различных водоцементных отношениях
Рис. 2. Прочность теплоизоляционных растворов состава: 90% цемента и 10% вермикулита
при различных водоцементных отношениях
В целях снижения плотности создаваемых теплоизоляционных смесей была разработана вяжущая композиция на основе портландцемента и вермикулита, механоактивированных в вибрационной мельнице. Результаты исследований показали, что при продолжительности активации 30 минут в составах вермикулит 10%, цемент 90% достигается удельная поверхность 612 м2/кг. Полученная вяжущая композиция характеризовалась стабильным набором
прочности в возрасте 7 и 28 суток, обеспечивая прочность в 28 суток 58,2 МПа, при этом плотность полученной вяжущей композиции составляла 1933 кг/м3.
Композиционные вяжущие получили на основе вяжущей композиции, активированной в вибрационной мельнице портландцемента и вермикулита (при соотношении 90 к 10%) и суперпластификатора Melment F10. Подбор количества суперпластификатора проводили в диапазоне 0,2-2,0% от массы вяжущего (табл. 3). В результате испытаний установлен состав с высоким показателем прочности - 70,1 МПа при дозировке суперпластификатора 0,8%. Получены композиционные вяжущие на основе портландцемента ПЦ, вермикулита и суперпластификатора Melment F10.
Таблица 3
Влияние суперпластификатора Melment F10 на свойства композиционных вяжущих
№ п/п Наименование добавки Дозировка, % Интервал варьирования Определяемые парамет зы
р, г/см3 Кол-во воды, мл НГ, % R-сж ср при 28 сут, МПа
1 без добавки - - 1,9 155 38 58,2
2 Суперпластификатор Melment F10 0,2 2,0 154 37 62,1
3 4 0,8 1,4 0,6 2,1 2,0 149 145 36 35 70,1 65,6
5 2,0 2,0 147 34 63,9
Для получения эффективных теплозащитных растворов были созданы композиционные вяжущие с целевыми свойствами и получением требуемой структуры. Среди многих возможностей управления технологиями одним из путей формирования таких свойств является использование модифицированных добавок, которые в последние годы получили значительное распространение, обеспечивая требуемые характеристики создаваемым композитам.
Учитывая, что целью настоящей работы явилось получение теплоизоляционных растворов с улучшенными свойствами, изучали влияние комплекса функциональных добавок, которые участвуют в формировании структуры и качества создаваемого композита. Химические добавки позволяют регулировать свойства растворных смесей и растворов, приготовленных на основе сухих смесей. Так, на стадии приготовления растворных смесей добавки позволяют обеспечить: требуемую водопотребность и необходимое водотвердое отношение; возможность регулирования сроков схватывания: замедление или ускорение; создание необходимой водоудерживающей способности; достижение требуемой подвижности и необходимой удобо-укладываемости; регулирование реологических свойств, таких как тиксотропность, липкость, загущение; способность сохранять первоначальную подвижность приготовленного раствора; способность растворной смеси воздухововлечения или пеногашения в зависимости от назначения растворов; предотвращение расслаиваемости; устойчивость температуры пленкообра-зования для цементных полимерных составов; создание необходимой плотности и возможности твердения при отрицательных температурах.
Рассматривая влияние исследуемых растворов, следует отметить, что с помощью функциональных добавок можно регулировать: прочность при сжатии и изгибе; деформации усадки и расширения; скорость твердения (набора прочности); прочность сцепления с основанием (адгезии); водопроницаемость; объемную массу; гидрофобность; водопоглощение; а также основные показатели долговечности: атмосферостойкость, морозостойкость, водостойкость, биологическая стойкость, биохимическая стойкость, химическая стойкость.
В целях создания композитов с высокими теплозащитными и требуемыми физико-механическими свойствами были подобраны функциональные добавки для обеспечения технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств теплозащитного раствора.
Факторы планирования и полученные результаты по плотности и прочности теплоизоляционных растворов приведены в табл. 4.
Изучено влияние на плотность и прочность состава штукатурного раствора концентрации порообразователя Esapon 1214, суперпластификатора Melment F10, редиспергирующего порошка Vinnapas LL 4042 H. Зависимость плотности и прочности от исследуемых факторов имеет следующий вид:
Yi = 490 + 44,1-Xi + 11,4-X2 + 0,4-Хз + 1,3988-Xi2 - 41,10№2 + 45,9^2 + 3,625^XrX + + 13,375^XrX - 10,875^X2^X3;
Y2 = 2,254 + 0,218-Xi + 0,102X - 0,013X - 0,1166^Xi2 - 0,1666X2 + 0,288-X32 + + 0,0250^X2^X3,
где Xi = (Esapon 1214 % масс - 0,15)/0,05; X2 = (MelmentF10 % масс - 0,8)/0,6; X3 = (Vinnapas 4042 % масс - 3)/1,5.
Таблица 4
Факторы планирования и определяемые параметры
№ точки плана Факторы Определяемые параметры
Кодированный вид Натуральный вид
х1 Х2 Х3 Порообразо-ватель Esapon 1214, % Суперпластификатор Melment F10, % Редиспергирующий порошок VinnapasLL 4042 H, % Р, 28 сут., кг/м3 R-сж при 28 сут., МПа
i + i +1 +1 0,2 1,4 4,5 580 2,78
2 + 1 +1 -1 0,2 1,4 1,5 560 2,55
3 + 1 -1 +1 0,1 1,4 4,5 559 2,32
4 + 1 -1 -1 0,1 1,4 1,5 527 2,56
5 -1 +1 +1 0,2 0,2 4,5 415 1,98
6 -1 +1 -1 0,2 0,2 1,5 480 2,23
7 -1 -1 +1 0,1 0,2 4,5 440 1,89
8 -1 -1 -1 0,1 0,2 1,5 430 1,87
9 + 1 0 0 0,15 1,4 3 470 2,05
i0 -1 0 0 0,15 0,2 3 490 2,11
ii 0 +1 0 0,2 0,8 3 455 2,09
i2 0 -1 0 0,1 0,8 3 420 1,97
i3 0 0 +1 0,15 0,8 4,5 528 2,54
i4 0 0 -1 0,15 0,8 1,5 521 2,43
i5 0 0 0 0,15 0,8 3 419 1,88
i6 0 0 0 0,15 0,8 3 560 2,65
i7 0 0 0 0,15 0,8 3 530 2,43
В этом случае экстремум находят из дифференцирования уравнения последовательно по xi, x2, x3 и т.д. Полученная система линейных уравнений приравнивается к нулю. Путем ее решения находим значение xi, обеспечивающее экстремальное значение y. Подставим полученные значения в уравнения регрессии. В ходе решения системы уравнений получаем:
Xi = i; X2 = (-0,44); X3 = (-0,21).
Yi = 490 + 44,1^-38,12) + 11,4^-2,24) + 0,4-5,28 + 1,3988-(-38,12)2 - 41,10Ь(-2,24)2 +
+ 45,9^5,282 + 3,625-(-38,12>( -2,24) + 13,375-(-38,12)-5,28 - 10,875<-2,24>5,28 ~ 490.
Оптимальное расчетное значение плотности раствора составляет 490 кг/м3 при следующей концентрации функциональных добавок:
Esapon i2i4 = Xi0,05 + 0,15 = 1 0,05 + 0,15 = 0,20 % масс.
Melment Fi0 = X2 0,6 + 0,8 = (-0,44) 0,6 + 0,8 = 0,54 % масс.
Vinnapas 4042 = X3 1,5 + 3 = (-0,21) 1,5 + 3 = 2,69 % масс.
В ходе решения системы уравнений получаем:
X1 = 0,93; X2 = 0,31; X3 = 0,01.
Y2 = 2,254 + 0,218-0,93 + 0,102^0,31 - 0,013-0,01 - 0,1166Ю,932 - 0,1666^0,312 +
+ 0,288-0,012 + 0,0250 0,31 0,01 ~ 2,3.
Оптимальное расчетное значение прочности раствора составляет 2,3 МПа при следующей концентрации функциональных добавок:
Esapon 1214 = Xr0,05 + 0,15 = 0,93 0,05 + 0,15 = 0,19 % масс.
Melment F10 = X2 0,6 + 0,8 = 0,31 0,6 + 0,8 = 0,99 % масс.
Vinnapas 4042 % масс = Xs1,5 + 3 = 0,011,5 + 3 = 3,02 % масс.
На рис. 3 и 4 приведены номограммы зависимости плотности и прочности оптимизированного состава теплоизоляционного раствора от концентрации суперпластификатора Melment F10, редиспергирующего порошка Vinnapas LL 4042 Н и порообразующей добавки Esapon 1214.
Рис. 3. Номограммы зависимости средней плотности затвердевшего теплоизоляционного раствора в возрасте 28 сут. от концентрации Melment F10 и Esapon 1214 (а), VinnapasLL 4042 H и Esapon 1214 (б), VinnapasLL 4042 H и Melment F10 (в)
Рис. 4. Номограммы зависимости средней прочности затвердевшего теплоизоляционного раствора в возрасте 28 сут. от концентрации Melment F10 и Esapon 1214 (а), VinnapasLL 4042 H и Esapon 1214 (б), VinnapasLL 4042 H и Melment F10 (в)
Методом математического планирования эксперимента подобран состав теплоизоляционного раствора, имеющий минимальное значение по плотности и составляющий 490 кг/м3 при прочности на сжатие 2,3 МПа.
Проведенные исследования по определению коэффициента теплопроводности показали, что современные штукатурные теплоизоляционные смеси для теплоизоляционных штукатурных растворов характеризуются улучшенными теплотехническими свойствами при оптимальных технико-экономических показателях. В ходе приготовления теплоизоляционного раствора полученное композиционное вяжущее, равномерно распределяясь на поверхности внутри вспученных пакетов и тончайших линз, формирует объемный кристаллический каркас,
обладающий пониженной плотностью ввиду создания объемного прорастания гидросиликатов кальция и алюминия.
При использовании комплекса функциональных добавок обеспечивается оптимизация свойств создаваемого теплоизоляционного композита благодаря пластификации и снижению расхода воды, применению редиспергирующего порошка, способствующего гомогенному распределению частиц смеси, а также порообразующей добавке, которая целевым образом поризует структуру создаваемого композита, обеспечивающего равномерную плотность теплоизоляционного раствора.
Заключение
Таким образом, реализация гипотезы получения теплоизоляционного раствора пониженной плотности на основе разработанного композиционного вяжущего с использованием портландцемента и вермикулита, вспученного вермикулита как заполнителя и комплекса функциональных добавок (суперпластификатора Melment F10, редиспергирующего порошка Vinnapas LL 4042 Н и порообразующей добавки Esapon 1214) позволила получить теплоизоляционные штукатурные растворы с коэффициентом теплопроводности 0,085 Вт/(м°С), плотностью 490 кг/м3 при прочности 2,3 МПа. Разработанный оптимизированный состав теплоизоляционного раствора обладает значительно меньшим коэффициентом теплопроводности, установленным требованиями ГОСТ 33083-2014 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем для штукатурных работ», что позволяет рекомендовать предложенный состав для широкого применения при выполнении теплоизоляционных работ в строительном комплексе страны и за рубежом.
Финансирование
Исследование выполнено за счет гранта РНФ № 22-19-20115 и Правительства Белгородской области, Соглашение № 3 от 24.03.2022. Экспериментальные исследования проводились с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.
Заявленный вклад авторов: Л.Х. Загороднюк - формулировка направления и темы исследования, подбор теоретической базы для проведения эксперимента. Контроль и консультирование по вопросам проведения эксперимента и написанию статьи. Аль Мамури Саад Кхалил Шадид - подбор теоретической базы для проведения эксперимента. Проведение эксперимента. Апробация полученных результатов, написание статьи. А.Д. Сумской - подбор теоретической базы для проведения эксперимента. Проведение эксперимента. Апробация полученных результатов. А.Л. Бочарников - проведение эксперимента, написание, редактирование и оформление статьи. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Ахтямов Р.Я. Вермикулит - сырье для производства огнеупорных теплоизоляционных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 2009;(1-2):58-64.
2. Ахтямов Р.Я. Применение эффективных теплоизоляционных материалов и жаростойких бетонов в футеровках печей обжига керамического кирпич // Строительные материалы. 2004. № 2. С. 2628.
3. Загороднюк Л.Х., Рахимбаев Ш.М., Сумской Д.А., Рыжих В.Д. Особенности процессов гидратации вяжущих композиций с использованием отходов вспученного перлитового песка // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 11. С. 75-88. DOI 10.34031/2071-7318-2020-5-11-75-88
4. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чулкова И.Л. Закон сродства структур в материаловедении // Фундаментальные исследования. 2014. № 3-2. С. 267-271.
5. Сумской Д. А. Теплоизоляционный раствор на основе композиционного вяжущего // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 80, № 2 (76). С. 283-289. DOI 10.20914/2310-1202-2018-2-283-289
6. Abdeen M.A.M., Hodhod H. Experimental investigation and development of artificial neural network model for the properties of locally produced light weight aggregate concrete. Engineering. 2010;2:408-419.
7. Abdul Rahman S., Babu G. An experimental investigation on light weight cement concrete using ver-miculite minerals. Internatinal Journal Innovative Research Science Engineering Technology. 2016;5(2):2389-2392.
8. Bors J., Gorny A., Dultz S. Iodide, cerium and strontium adsorption by organophilic vermiculite. Clay Minerals. 1997;32(1):21-28.
9. Degirmenci N., Arin N.Y. Use of pumice fine aggregate as an alternative to standard sand in production of lightweight cement mortar. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences. 2011;18:61-68.
10.Kayali O. Fly ash lightweight aggregates in high performance concrete. Construction and Building Materials. 2008;22(12):2393-2399.
11.Kligys M., Laukaitis A., Sinica M., Sezemanas G., Dranseika N. Investigations into the fire hazard of a composite made from aerated concrete and crushed expanded polystyrene waste. Mechanics Composite Materials. 2008;44:173-180.
12.Koksal F., Gencel O., Hagh-Lobland H.E., Brostow W. Effect of high temperature on mechanical and physical properties of lightweight cement based refractory including expanded vermiculite. Materials Research Innovations. 2012;16(1):7-13.
13.Lanzon M., Garcia-Ruiz P.A. Lightweight cement mortars: advantages and inconveniences of expanded perlite and its influence on fresh and hardened state and durability. Construction and Building Materials. 2008;22(8): 1798-1806.
14.Lei GU, Togay Ozbakkaloglu. Use of recycled plastics in concrete: a critical review. Waste Management. 2016. Vol. 51. P. 19-42. DOI 10.1016/j.wasman.2016.03.005
15.Merino M.R., Astorqui J.S.C., Cortina M. G. Viability analysis and constructive applications of lightened mortar (rubber cement mortar). Construction and Building Materials. 2007;21:1785-1791. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2006.05.014
16. Munoz-Ruiperez C., Rodriguez A., Gutierrez-Gonzales S., Calderon V. Lightweight masonry mortars made with expanded clay and recycled aggregates. Construction and Building Materials. 2016;118:139-145.
17. Noguchi T., Miyashita M., Inagaki Y., Watanabe H. A new recycling system for expanded polystyrene using a natural solvent. Part 1. A new recycling technique, Pack 3. Technical science. 1998; 11(1): 19-27.
18.Rashad Alaa M. A synopsis about perlite as building material - A best practice guide for Civil Engineer. Construction and Building Materials. 2016;121:338-353.
19.Schackow A., Effting C., Folgueras M.V., Güths S., Mendes G.A. Mechanical and thermal properties of lightweight concretes with vermiculite and EPS using air-entraining . Construction and Building Materials. 2014;57:190-197.
20.Shafigh P., Jumaat M.Z., Mahmud H. Oil palm Shell as lightweight aggregate for production high strength lighweight concrete. Construction and Building Materials. 2011;25(4): 1848-1853.
21.Shmuradko V.T., Panteleenko F.I., Reut O.P., Panteleenko E.F., Kirshina N.V. Composition structure and property formation of heat insulation fire and heat-reflecting materials based on vermiculite for industrial power generation. Refractories and Industrial Ceramics. 2012;53(4):254-258.
22.Sutcu M. Influence of expanded vermiculite on physical properties and thermal conductivity of clay bricks. Ceramics International. 2015;41:2819-2827.
23.Suvorov S.A., Skurikhin V.V., Vermiculite - a promising material for hightemperature heat insulation. Refractories and Industrial Ceramics. 2003;44(3):186-193.
24.Unal O., Uygunoglu T., Yildiz A. Investigation of properties of low-strength lightweight concrete for thermal insulation. Building and Environment. 2007;42:584-590.
25.Yurkon A.L., Akselrod L.M. Properties of heat-insulating materials. Refractories and Industrial Ceramics. 2005;46(3): 170-174.
26.Zagorodnyuk L., Sumskoy D., Lesovik V., Fediuk R. Modified heat insulating binder using jet-grinded waste of expanded perlite sand. Construction and Building Materials. 2020;260:120440. DOI 10.1016/j .conbuildmat.2020.120440
FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2023. N 1/54
Building Materials and Products www.dvfu.ru/en/vestnikis
Original article
DOI https://doi.org/10.24866/2227-6858/2023-1/90-101
Zagorodniuk L., Al Mamouri Saad Khalil Shadid, Sumskoy D., Bocharnikov A.
LILIA Kh. ZAGORODNUK, Doctor of Engineering Sciences, Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9840-4414
AL MAMURI SAAD KHALIL SHADID, Postgraduate Student, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6827-6976
DMITRY A. SUMSKOY, Candidate of Engineering Sciences, Senior Lecturer, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-0001-6139 ANDREY L. BOCHARNIKOV, Student, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7477-803X
Building Materials Science for Products and Structures Department Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Belgorod, Russia
Heat-insulating solutions using vermiculite and their optimization
Abstract. The development of effective compositions and the production of heat-insulating materials with high heat-shielding performance is relevant and requires in-depth study. The article presents the results of optimizing the composition of a heat-insulating solution prepared on a composite binder, expanded vermiculite as a filler and various functional additives. The results of optimizing the composition of the binder composition based on Portland cement and vermiculite with the MELMENT F10 superplasticizer are presented. The optimal dosage of the superplasticizer was established, which ensured the density of the composite binder of 1933 kg/m3 with a strength of 58.2 MPa. Functional additives have been selected to provide the required physical, mechanical and operational properties of the heat-shielding solution. The influence on the density and strength of the composition of the heat-insulating mortar of various dosages of the pore-forming agent Esapon 1214, superplasticizer Melment F10, redispersing powder Vinnapas LL 4042 H was studied. A regression equation was obtained for the average density and average strength of heat-insulating mortars. The resulting regression equations and nomograms built on them allow you to optimize the technological process and effectively manage it. Using the method of mathematical planning of the experiment, the composition of the heat-insulating solution was selected, which has a minimum density value of 490 kg/m3 with a compressive strength of 2.3 MPa. Among modern plaster mixtures for heat-insulating plaster mortars, the developed compositions are characterized by improved thermal properties with optimal technical and economic indicators. Keywords: expanded vermiculite, binder composition, composite binders, heat-shielding solutions, Portland cement, low density, modifying additives
For citation: Zagorodniuk L., Al Mamouri Saad Khalil Shadid, Sumskoy D., Bocharnikov A. Heat-insulating solutions using vermiculite and their optimization. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2023;(1):90-101. (In Russ.)
Contribution of the authors: Lilia Kh. Zagorodnuk - Formulation of the direction and topic of the research, selection of the theoretical basis for the experiment. Supervising and advising on the conduct of the experiment and the writing of the paper; Al Mamuri Saad Khalil Shadid - Selection of the theoretical base for the experiment. Conducting an experiment. Approbation of the obtained results, writing an article; Dmitry A. Sumskoy -Selection of the theoretical base for the experiment. Conducting an experiment. Approbation of the obtained results; Andrey L. Bocharnikov - Carrying out the experiment, writing, editing and layout of the article. The authors declare no conflict of interests.
REFERENCES
1. Akhtyamov R.Ya. Vermiculite as a raw material for the production of refractory heat-insulating materials. Refractories and technical ceramics. 2009;(1-2):58-64. (In Russ.)
2. Akhtyamov R.Ya. The use of effective heat-insulating materials and heat-resistant concretes in the lining of furnaces for firing ceramic bricks. Stroitel'nye materialy. 2004;(2):26-28. (In Russ.)
3. Zagorodnyuk L.Kh., Rakhimbaev Sh.M., Sumskoy D.A., Ryzhykh V.D. Features of the processes of
hydration of binder compositions using waste expanded perlite sand. VestnikBSTUim. V.G. Shukhov. 2020;(11):75-88. DOI 10.34031/2071-7318-2020-5-11-75-88 (In Russ.)
4. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.Kh., Chulkova I.L. The law of structure affinity in materials science. Fundamental research. 2014. No. 3-2. P. 267-271. (In Russ.)
5. Sumskoy D.A. Heat-insulating mortar based on composite binder. Vestnik VGUIT. 2018;80(2):283-289. DOI 10.20914/2310-1202-2018-2-283-28. (In Russ.)
6. Abdeen M.A.M., Hodhod H. Experimental investigation and development of artificial neural network model for the properties of locally produced light weight aggregate concrete. Engineering. 2010;2:408-419.
7. Abdul Rahman S., Babu G. An experimental investigation on light weight cement concrete using vermiculite minerals. Internatinal Journal Innovative Research Science Engineering Technology. 2016;5(2):2389-2392.
8. Bors J., Gorny A., Dultz S. Iodide, cerium and strontium adsorption by organophilic vermiculite. Clay Minerals. 1997;32(1):21-28.
9. Degirmenci N., Arin N.Y. Use of pumice fine aggregate as an alternative to standard sand in production of lightweight cement mortar. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences. 2011;18:61-68.
10. Kayali O. Fly ash lightweight aggregates in high performance concrete. Construction Building Materials. 2008. Vol. 22. Iss. 12. Pp. 2393-2399.
11. Kligys M., Laukaitis A., Sinica M., Sezemanas G., Dranseika N. Investigations into the fire hazard of a composite made from aerated concrete and crushed expanded polystyrene waste. Mechanics Composite Materials. 2008;44:173-180.
12. Koksal F., Gencel O., Hagh-Lobland H.E., Brostow W. Effect of high temperature on mechanical and physical properties of lightweight cement based refractory including expanded vermiculite. Materials Research Innovations. 2012;16(1):7-13.
13. Lanzon M., Garcia-Ruiz P.A. Lightweight cement mortars: advantages and inconveniences of expanded perlite and its influence on fresh and hardened state and durability. Construction Building Materials. 2008;22(8):1798-1806.
14. Lei GU, Togay Ozbakkaloglu. Use of recycled plastics in concrete: a critical review. Waste Management. 2016;51:19-42. DOI 10.1016/j.wasman.2016.03.005
15. Merino M.R., Astorqui J.S.C., Cortina M.G. Viability analysis and constructive applications of lightened mortar (rubber cement mortar). Construction and Building Materials. 2007;21:1785-1791. DOI 10.1016/j .conbuildmat.2006.05.014
16. Munoz-Ruiperez C., Rodriguez A., Gutierrez-Gonzales S., Calderon V. Lightweight masonry mortars made with expanded clay and recycled aggregates. Construction and Building Materials. 2016;118:139-145.
17. Noguchi T., Miyashita M., Inagaki Y., Watanabe H. A new recycling system for expanded polystyrene using a natural solvent. Part 1. A new recycling technique, Pack 3. Technical science. 1998;11(1): 19-27.
18. Rashad Alaa M. A synopsis about perlite as building material - A best practice guide for Civil Engineer. Construction and Building Materials. 2016;121:338-353.
19. Schackow A., Effting C., Folgueras M.V., Güths S., Mendes G.A. Mechanical and thermal properties of lightweight concretes with vermiculite and EPS using air-entraining agent. Construction and Building Materials. 2014;57:190-197.
20. Shafigh P., Jumaat M.Z., Mahmud H. Oil palm Shell as lightweight aggregate for production high strength lighweight concrete. Construction Building Materials. 2011;25(4): 1848-1853.
21. Shmuradko V.T., Panteleenko F.I., Reut O.P., Panteleenko E.F., Kirshina N.V. Composition structure and property formation of heat insulation fire and heat-reflecting materials based on vermiculite for industrial power generation. Refractories and Industrial Ceramics. 2012;53(4): 254-258.
22. Sutcu M. Influence of expanded vermiculite on physical properties and thermal conductivity of clay bricks. Ceramics International. 2015;41:2819-2827.
23. Suvorov S.A., Skurikhin V.V. Vermiculite - a promising material for hightemperature heat insulation. Refractories and Industrial Ceramics. 2003;44(3):186-193.
24. Unal O., Uygunoglu T., Yildiz A. Investigation of properties of low-strength lightweight concrete for thermal insulation. Building and Environment. 2007;42:584-590.
25. Yurkon A.L., Akselrod L.M. Properties of heat-insulating materials. Refractories and Industrial Ceramics. 2005;46(3): 170-174.
26. Zagorodnyuk L., Sumskoy D., Lesovik V., Fediuk R. Modified heat insulating binder using jet-grinded waste of expanded perlite sand. Construction and Building Materials. 2020;260:120440. DOI 10.1016/j .conbuildmat.2020.120440
