Теплоизоляционный раствор на основе композиционного вяжущего

В России принят закон об энергоэффективности, согласно которому к 2020 г. необходимо выйти на высокий уровень энергосбережения. Введение более жестких требований привело к пересмотру принципов проектирования в строительстве. При проектировании энергоэффективного дома необходимо предотвратить потери тепла через ограждающие конструкции, и лишь потом оптимизировать инженерные системы здания и внедрение альтернативных источников энергообеспечения. Теплоизоляционные материалы, чьей главной характеристикой является теплопроводность, оказывают решающую роль в обеспечении оптимальных условий микроклимата помещения.

Материалы и методы

В связи с высокой востребованностью теплоизоляционных растворов на строительном

рынке ставилась задача создания теплоизоляционных растворов с улучшенными теплозащитными характеристиками.

При создании эффективного теплоизоляционного раствора нами проведена многократная оптимизация на всех стадиях его создания, а именно, на стадии получения композиционных вяжущих, приготовленных на основе портландцемента и минерального наполнителя, на стадии введения функциональных добавок, заполнителя – вспученного перлитового песка и на стадии введения пенополистирольных микросфер. Для снижения плотности теплоизоляционных растворов необходимо создать эффективное композиционное вяжущее [1–5]. Для выбора оптимального состава, вяжущего на начальном этапе исследований были исследованы составы вяжущих композиций с различным процентным соотношением, с различными проходами (один, два и три раза) через вихревую струйную мельницу. В качестве исходных компонентов использовали вспученный перлитовый песок М75 производства ОАО «Осколснаб» (г. Старый Оскол), соответствующий ГОСТ 10821–91 «Песок и щебень перлитовые вспученные» и отходы его производства, портландцемент производства ЗАО «Белгородский цемент» ЦЕМ I 42,5H по ГОСТ 31108–2003 «Цементы общестроительные. Технические условия». Товарный цемент принимался в качестве сравнения с вяжущей композицией с содержанием отходов перлитового производства в количестве 5; 7,5; 10% по массе дозированных компонентов. Для вяжущих композиций и портландцементов были определены физико-механические показатели, нормальная густота, сроки схватывания, проведен гранулометрический анализ на приборе Analysette 22 NanoTec plus и изучена микроструктура на сканирующем электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU. Лучшие составы по прочности при сжатии были получены при дозировке отходов производства вспученного перлитового песка в количестве5%, 55,6 МПа – при одном проходе через вихревую струйную мельницу; 52,0 МПа – при трех проходах через вихревую струйную мельницу; при соотношении портландцемент / отходы производства вспученного перлитового песка = 90 /10% – 53,3 МПа. Исходя из соображений экономии электроэнергии для проведения дальнейших исследований примем состав 95/5%(один проход).

Результаты и обсуждение

При анализе вяжущих композиций для составов с 5% содержанием добавки вспученного перлитового песка удельная поверхность при одном проходе через вихревую струйную мельницу увеличивается с 7636 см2/см3

на 55,5%, что составляет 11874 см²/см³, при втором проходе – 18998 см²/см³ на 148,8%; для трех проходов – 20206 см²/см³ на 164,6%(рисунки 1 –4) . Приведенные выше результаты помола в вихревой струйной мельнице свидетельствуют об эффективности технологического приема.

Рисунок 1. Распределение частиц вяжущей композиции ВК1.0 с соотношением цемент / перлитовый песок = 95/5% по размерам

• Figure 1.    Distribution of particles of astringent composition ВК1.1 with the ratio cement / perlite sand = 95/5% in size

Рисунок 2. Распределение частиц вяжущей композиции ВК1.1 с соотношением цемент/ перлитовый песок = 95/5% по размерам пропущенной через вихревую струйную мельницу в 1 проход

• Figure 2.    Distribution of the particles of the cementitious composition ВК1.1 with the ratio cement/perlite sand = 95 / 5% in size passed through a jet mill in 1 pass

Рисунок 3. Распределение частиц вяжущей композиции ВК1.2 с соотношением цемент/ перлитовый песок = 95/5% по размерам пропущенной через вихревую струйную мельницу в 2 прохода

• Figure 3.    Distribution of particles of the cementitious composition ВК1.1 with the ratio cement/perlite sand = 95 / 5% in size passed through a jet mill in 2 passes

  

  перлитовый песок = 95/5% по размерам пропущенной через вихревую струйную мельницу в 3 прохода

  Figure 4. Distribution of the particles of the cementitious composition ВК1.1 with the ratio cement/perlite sand =

  95 /5% in size passed through a jet mill in 3 passes

  
  
  

  Рисунок 5. Микроструктура вяжущей композиции ВК1.1 с соотношением цемент/перлитовый песок = 95/5% по размерам пропущенной через вихревую струйную мельницу в 1 проход

  
  

Установлены особенности измельчения вяжущих композиций в вихревой струйной установке (рисунок 5) . При помоле формируется высокодисперсная объемная структура, формируются зерна наполнителя в виде пластинчато-призматическую форм зерен, которая обеспечивает затвердевшему композиту требуемые свойства – низкую плотность при достаточной прочности. Микроструктуру гидратированных портландцементов и вяжущих композиций исследовали в 28-ми суточном возрасте.

Проведение сравнительного рентгенофазового анализа гидратированных бездобавочного цемента и вяжущей композиции ВК1.1 с соотношением цемент/перлитовый песок =95/5% по размерам пропущенной через вихревую струйную мельницу в 1 проход следует отметить, что по минеральному составу гидратированный цемент и вяжущая композиция идентичны и содержат в своем составе Са(ОН) 2 , CSH, гидроалюминаты Са и незначительное количество эттрингита. Отличительной особенностью дифрактограмм является значительная аморфи-зация вяжущей композиции, что объясняется содержанием высокодисперсной перлитовой составляющей (рисунки 6, 7) .

• Figure 5.    Microstructure of cementitious composition ВК1.1 with cement/perlitic sand ratio = 95 /5% in size passed through a jet mill in 1 pass

  

  Рисунок 6. Рентгенограмма портландцемента (не активированного) V – Са(ОН)2 (d = 4,928; 2,633; 1,933; 1,801 Å); □ – CSH (d = 3,053; 2,793; 2,206 Å); – гидроалюминаты Са (d = 2,281; 2,053; 1,979 Å); о – эттрингит (d = 9,825; 9,771 Å)

  
  

• Figure 6.    Radiography of portland cement (not activated)

  

  Рисунок 7. Рентгенограмма вяжущей композиции ВК1.1 состава цемент/перлитовый песок =95/5%(1 проход через вихревую струйную мельницу) ▼ – Са(ОН) 2 (d =4,928; 2,633; 1,933; 1,801 Å);□ – CSH(d =3,053; 2,793; 2,206 Å);

  – гидроалюминаты Са (d =2,281; 2,053; 1,979 Å);о – эттрингит (d =9,825; 9,771 Å)

  Figure 7. X-ray diffraction pattern of cementitious composition ВК1.1 composition cement/perlitic sand = 95/5%(1 passage through a jet mill)

  
  

На следующем этапе получали композиционное вяжущее путем добавления в вяжущую композицию функциональных добавок по отдельности – суперпластификатора MelmentF10.

На основании ранее проведенных работ [20] выявлен диапазон оптимального соотношения цемента и перлита 1:9; 1:11; 1:13. Нашими исследованиями установлено, что этот диапазон подтверждается и определено, что наиболее рациональным составом является разработанный теплоизоляционный раствор состава композиционное вяжущее: вспученный перлитовый заполнитель 1:11 имеющий плотность 1200 кг/м3 (при прочности 2,5 МПа).

Оптимизация 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).

Оптимизационные задачи заключаются в нахождении такого сочетания факторов, которое обеспечивает максимальное (минимальное) значение выходного параметра.

Для дальнейшей оптимизации использовались следующие модифицирующие добавки: суперпластификатор MELMENT F 10; порооб-разователь и смачиватель для стройматериалов ASCO 93; редиспергируемый дисперсионный порошок VINNAPAS LL 4042 H. Модифицирующие добавки вводились в композиционное вяжущее в дозировке, рекомендуемой производителем с определенным интервалом варьирования с последующим введением вспученного перлитового песка с соотношением 1:11.

На рисунке 8 приведены номограммы зависимости средней плотности теплоизоляционного раствора от концентрации суперпластификатора Melment 10, порообразователя ASCO 93, редиспергируемого порошка Vinnapas 4042 H.

Рисунок 8. Номограммы зависимости средней плотности теплоизоляционного раствора от концентрации суперпластификатора Melment F10, порообразователя ASCO 93, редиспергируемого порошка Vinnapas 4042 H

Figure8. Nomograms of the dependence of the average density ofthermal insulation solution on the concentration of the Melment F10 superplasticizer, the ASCO 93 porogen, the redispersible powder Vinnapas 4042 H

Зависимость плотности от исследуемых      973,11 кг/м3, при концентрации функциональных факторов имеет следующий вид (1).                 добавок, приведенных в уравнениях(2), (3), (4).

Оптимальное расчетное значение плот ности теплоизоляционного раствора составляет y - 1017-36,2x + 8,9x2 -0,3x3 + 5,8552x12 -36,645x22 -12,64x32 -17x1 x2 -2x1 x3 +12,5x2x3.

ASCO - 0,03875.    _ Melment - 0,525     _ Vinnapas - 1,3

; x^

0,011         2        0,325          3

ASCO =x1-0,011+0,03875=1-0,011+0,03875 « 0,05%(2)

Melment - x2 0,325 + 0,525 - (-0,49)-0,325 + 0,525 « 0,37%(3)

Vinnapas -x30,2 +1,3 - (-0,44)^0,2 +1,3 ® 1,21%(4)

На заключительном этапе в оптимизированный теплоизоляционный состав вводят пенополистирольные микросферы производства ООО Завод «Теплоизосервис». Сферы представляют собой экологически чистые белые шарики диаметром от 3 до 5 мм и имеют характеристики: насыпная плотность 13–14 кг/м3; теплопроводность в сухом состоянии при (25 ±5) °С не более 0,047 Вт/м ∙К; прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации не менее 0,015 МПа; остаточная деформация после 10% обжатия – 0–4%.

В работе использовали пенополистирольные микросферы различного диаметра и дозировки с целью установления оптимального состава теплоизоляционного раствора. Установлено, что наилучшие показатели прочности и теплопроводности растворов были получены при использовании пенополистирольных микросфер размером до 3 мм. Определяя физико-механические характеристики серии образцов оптимизированного теплоизоляционного раствора