Огне- и теплозащитные сухие строительные смеси и изделия на гипсовом вяжущем



Скачать 363.54 Kb.
страница1/3
Дата22.10.2016
Размер363.54 Kb.
  1   2   3
На правах рукописи

ГУГУЧКИНА Мария Юрьевна

ОГНЕ- И ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ И ИЗДЕЛИЯ НА ГИПСОВОМ ВЯЖУЩЕМ

Специальность 05.23.05 – строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013 г

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




Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, почетный работник высшего профессионального образования РФ, член-корреспондент ПАНИ



Тихонов Юрий Михайлович

Официальные оппоненты:

Сычева Анастасия Максимовна,

доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», кафедра инженерной химии и естествознания, доцент;



Панарин Сергей Николаевич

кандидат технических наук, заслуженный изобретатель РФ, ООО «Техноарм+», г.Санкт-Петербург, старший научный сотрудник



Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский Университет государственной противопожарной службы МЧС России»

Защита диссертации состоится «03 » декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.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 Казаков Юрий Николаевич


  1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Обеспечение пожарной безопасности входит в число ключевых задач при строительстве и эксплуатации современных высотных зданий, деловых и промышленных комплексов. В строительстве широко используются тонкостенные железобетонные, армоцементные, фибробетонные деревянные и металлические конструкции, предел огнестойкости которых не превышает 30 мин. По данным МЧС России за первое полугодие 2012 г материальный ущерб от пожаров составил около 6,5 млрд рублей. В развитых странах от 2 до 4 % стоимости строительства идет на обеспечение пожарной безопасности. Специфика современного строительства – рост этажности зданий и протяженности путей эвакуации диктует повышенные требования к пожарной безопасности используемых строительных материалов. Это нашло отражение в ужесточении норм законодательства в сфере пожарной безопасности. С 2008 г. действуют законы ФЗ № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» и ФЗ № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». С введением в действие этих технических регламентов появилась новая классификация строительных материалов по группам горючести — от КМ0 до КМ5. Негорючими являются только материалы класса КМ0. Согласно новым регламентам материалы класса пожарной опасности КМ0 необходимо применять в вестибюлях, на лестничных клетках, лифтовых холлах, в зданиях более 17 этажей или 50 метров в высоту или в зданиях детских дошкольных образовательных учреждений, театрах, клубах, музеях, вокзалах и др. вне зависимости от этажности. В связи с этим, актуальной является проблема повышения пределов огнестойкости строительных конструкций за счет применения эффективных огнезащитных материалов. В качестве средств защиты от огня предлагаются огнезащитные штукатурки, пропитки, краски, обмазки, экраны. Некоторые из них дороги, другие не обеспечивают необходимого уровня огнезащитной эффективности. Данное исследование посвящено разработке новых огнезащитных композиций на основе гипсового вяжущего и особо легких заполнителей – вспученного вермикулита и перлита, а также минеральных волокон.

Работа выполнена при поддержке гранда молодым ученым от компании «Кнауф» в 2011-2013 г, именной стипендии «Кнауф», а также по программе финансирования научно-исследовательской работы СПбГАСУ «Инновации в области применения строительных материалов», договор № 34 ТП-13.



Степень разработанности темы исследования. Вопросами технологии приготовления сухих строительных смесей занимаются ученые Баженов Ю.М., Большаков Э.Л., Зозуля П.В., Корнеев В.И., Кудяков А.И. и др. Исследованиями огне- и теплозащитных строительных растворов и жаростойких бетонов с применением легких заполнителей занимались такие ученые, как Гедеонов П.П., Горлов Ю.П., Еремина Т.Ю., Кураев В.В., Масленникова М.Г., Москвин В.М., Некрасов К.Д., Пожнин А.П., Романенков И.Г., Сухарев М.Ф., Тихонов Ю.М., Хежев Т.А. и др. Особенности поведения гипсовых вяжущих описаны в работах Будникова П.П., Воробьева Х.С., Коровякова В.Ф., Мещерякова Ю.Г., Ферронской А.В., Хааса И., Хуммеля Х.-У. Изучением огнестойкости конструкций занимались Милованов А.Ф., Пчелинцев В.А., Ройтман В.М., Яковлев А.Н. Поведением Разработкой составов огне- и теплозащитных материалов занимались научно-исследовательские и проектные институты – ЦНИИСК им. В. А.Кучеренко, Гипронинеметаллоруд, «Теплопроект», УралНИИстромпроект, ЛИСИ (СПбГАСУ), Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО), Центральный научно-исследовательский институт материалов (ЦНИИМ). Проводились работы по созданию жаропрочных бетонов и обмазок на пуццолановом цементе, глиноземистом цементе, жидком стекле, фосфатном связующем. В качестве микронаполнителей использовались тонкомолотый керамзит, вспученный перлит, шамот, бой диатомитового кирпича, кремнеземистые микросферы, зола-унос ТЭЦ и др. Для придания жаростойкости цементному камню в бетон вводились тонкомолотые добавки, содержащие аморфный кремнезем или глинозем. Особый интерес вызывает применение гипсового вяжущего в огнезащитных смесях. Благодаря своей экологичности, технологичности применения (быстрота схватывания теста, его твердения), повышенной температуростойкости гипсового камня и малой энергозатратности производства, гипсовое вяжущее все чаще применяется для интерьерных работ. Применение гипсового вяжущего совместно со вспученными заполнителями, волокнистыми и минеральными добавками для огнезащиты строительных конструкций является недостаточно изученной темой.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования – разработка огне- и теплозащитных сухих строительных смесей (ССС) и экранов на их основе с применением гипсового вяжущего и легких заполнителей – вспученного вермикулита и перлита.

Объектом исследования являются огнезащитные ССС и экраны на их основе на гипсовом вяжущем, высокопористые заполнители; волокнистые наполнители для ССС, составы огне- и теплозащитных ССС на основе гипсового вяжущего.

Предметом исследования являются составы и свойства огнезащитных ССС и экранов на их основе.

Задачи исследования:

  1. Разработка огне- и теплозащитных составов для изготовления ССС и огнезащитных экранов с применением гипсового вяжущего, вспученного перлита и вермикулита со средней плотностью 450 - 750 кг/м3 и температурой применения до 1100 °С в течение 180 минут;

  2. Исследование влияние соотношения вяжущего и заполнителей в ССС, волокнистых, функциональных добавок на технические и огнезащитные свойства полученных составов;

  3. Проведение высокотемпературных испытаний и выбор оптимальных составов ССС с лучшими показателями огнезащитной эффективности, теплопроводности, прочности, трещиностойкости;

  4. Разработка рациональной технологии приготовления ССС и экранов оптимального состава с применением гипсового вяжущего.

Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области композиционных материалов с учетом современных тенденций в части ресурсо- и энергосбережения, проработка литературных данных, составление методических карт испытаний, математическое планирование экспериментов, разработка оригинальных методик подбора составов ССС, высокотемпературных испытаний, рентгенофазовый анализ, дифференциально-термический анализ. Физико-механические характеристики оценивались в соответствии с введенными в строй действующих современными нормативными документами на сухие строительные смеси на гипсовом вяжущем ГОСТ 31377-2008 Смесь сухая штукатурная на гипсовом вяжущем. Технические условия», ГОСТ 31376-2008 «Смеси сухие строительные на гипсовом вяжущем. Методы испытаний».

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.05 – Строительные материалы и изделия, п.7 «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности» и п.16. «Развитие теоретических основ и технологии получения сухих строительных смесей различного назначения».

Научная новизна исследования заключается в следующем:

  1. Впервые разработаны составы и исследованы свойства ССС на гипсовом вяжущем и легких заполнителях – вспученном вермикулите и перлите, обеспечивающие штукатурным растворам на их основе повышенную огнестойкость.

  2. Проведенный подбор составов ССС с применением ряда негорючих волокнистых добавок (стекловолокно, каолиновая вата, волокна хризотил-асбеста, волокна базальтовой ваты) показал, что наибольшим коэффициентом конструктивного качества обладают составы с добавкой стекловолокна.

  3. Впервые определена зависимость трещиностойкости, объемной усадки и остаточной прочности образцов ССС от содержания вспученных заполнителей – вермикулита и перлита после высокотемпературных испытаний на экспериментальной установке, развивающей температурный режим, приближенный к стандартному режиму печи ВНИИПО.

  4. Установлена степень влияния скоростного перемешивания растворной смеси на ее свойства. Увеличение скорости перемешивания до 600 об/мин позволило увеличить коэффициента конструктивного качества в среднем на 7-10%. Проведенный подбор функциональных добавок позволил уменьшить водопотребность, увеличить предел прочности при сжатии и изгибе и водоудерживающую способность смесей.

  5. Выявлено положительное влияние тонкодисперсных минеральных добавок (кембрийская глина, перлит-сырец, жидкое стекло) на повышение остаточной прочности огнезащитных ССС и экранов на их основе после высокотемпературных испытаний;

  6. Изучено поведение фрагментов огнезащитных экранов на основе разработанных ССС в зависимости от их толщины и состава на экспериментальной установке, обеспечивающей рост температуры до 1100°С в течение 180 мин.

  7. Подобрана технологическая схема приготовления огнезащитных ССС на гипсовом вяжущем, сделаны технико-экономические расчеты эффективности производства разработанных ССС.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Основные результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы в производстве ССС, а также экранов на их основе для огнезащиты тонкостенных фибробетонных, деревянных и армоцементных конструкций. Подобран оптимальный состав компонентов, функциональных и минеральных добавок с целью обеспечения высокой огнезащитной эффективности композитов. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПбГАСУ (дисциплина «Архитектурное материаловедение») и Санкт-Петербургского Университета государственной противопожарной службы МЧС России (дисциплина «Здания и сооружения и их устойчивость при пожаре», раздел «Строительные материалы, их пожарная опасность и поведение в условиях пожара».) Нанесение огнезащитной смеси оптимального состава на стеновую конструкцию производилось в учебном центре «КНАУФ Северо-Запад», г. Санкт-Петербург. Подана заявка на патентование изобретения «Сухая смесь огнезащитная».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и докладывались на научно-практических конференциях молодых исследователей и аспирантов в 2011, 2012 и 2013 гг: на международном симпозиуме «Инновации в области применения гипса в строительстве», КНАУФ-МГСУ (2012 г) (призовое место на конкурсе молодых исследователей, работающих в области гипсовых вяжущих); на международной научно-практической конференции, посвященной 180-летию СПбГАСУ в апреле 2012 г.; на III международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, в рамках выставки «Бетон. Цемент. Сухие смеси» 27-29 ноября 2012 г. в Москве, где был получен специальный приз «За исследование в области сухих строительных смесей». Основные результаты исследовательской работы рекомендуется использовать в производстве ССС и огнезащитных экранов на существующих технологических линиях предприятий.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 научных работах общим объемом 2,03 п.л., лично автором - 0,38 п.л., из них 2 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 130 страниц, в том числе 120 страниц основного текста, содержащего 36 таблиц, 41 рисунок, 10 страниц приложений. Список использованных источников содержит 138 наименований.

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

В первой главе приведен анализ литературных данных по теме диссертации, включая теплофизические основы воздействия пожара на материалы и конструкции, сделан обзор современного рынка огнезащитных материалов;

Во второй главе описана методика проведения экспериментов и характеристика материалов, использованных в работе, математическое планирование эксперимента.

В третьей главе описан подбор составов огнезащитных ССС, приведены результаты исследования технических свойств растворов.

В четвертой главе представлены результаты высокотемпературных испытаний фрагментов огнезащитных экранов на экспериментальной установке, а также выполнены технико-экономические расчеты эффективности производства разработанной огнезащитной ССС.

  1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ



  1. Разработаны составы и исследованы свойства ССС на гипсовом вяжущем и легких заполнителях – вспученном вермикулите и перлите, обеспечивающие штукатурным растворам на их основе повышенную огнестойкость.

Анализ литературных источников позволил выделить сырьевые материалы, которые обеспечат негорючесть и высокую температуростойкость композитов. Для достижения заданных параметров составов подбиралось оптимальное содержание компонентов и режимы приготовления растворов. Были подобраны эффективные функциональные волокнистые и минеральные добавки, улучшающие свойства растворов.

В качестве исходных материалов в работе применялись: гипсовое вяжущее марки Г6-АII, ρн = 950 кг/м3; вспученный вермикулит, ρн = 140 кг/м3, (М 150), фр. 0,16-1,25 мм, λ = 0,07 Вт/(м∙К), производство ЗАО «Слюдяная фабрика», г. Колпино, Санкт-Петербург; вспученный перлит, ρн = 95 кг/м3 (М 100) ,фр. <0,16- 1,25 мм., λ = 0,05 Вт/(м∙К), производства «КНАУФ ГИПС КОЛПИНО», Санкт-Петербург; стекловолокно, диаметр волокон 50 мкм, длина волокон 5–15 мм, ρн=2200-2500 кг/м3; базальтовое супертонкое штапельное волокно, ρн = 23 кг/м3, теплопроводность 0,04 Вт/(м∙К), средний диаметр волокон не более 3мкм, ОАО «Мостермостекло»; хризотил-асбест распушенный, IV сорт, диаметр волокон 0,02-0,04 мкм, ρи = 2600 кг/м3, «Завод асбестовых технических изделий», Санкт-Петербург; кембрийская глина, ρн = 1200 кг/м3; перлит-сырец, ρн = 1150 кг/м3, фр. 0,15- 0,6 мм; жидкое стекло натриевое, ρи=1400 кг/м3,силикатный модуль m = 3,5, ООО «Экохим СПб».

Каждый из компонентов вносит свой вклад в огнезащитную эффективность композита. Известно, что в гипсовом камне содержится 18-20% кристаллизационной воды, на испарение которой расходуется часть энергии теплового потока. И пока вся вода не испарится, температура изделия не будет превышать 100–1100С. Вспученный вермикулит и перлит являются огне- и биостойкими, нетоксичными и долговечными, имеют истинную пористость около 90%. Сферическая форма зёрен перлита обеспечивает повышенную подвижность растворных смесей в сравнении с вермикулитсодержащими. В то же время, достоинством вермикулита является упругость его зерен и повышенная вибростойкость, что обеспечивает трещиностойкость строительных растворов с его применением.

С целью армирования композитов использовались негорючие волокнистые добавки стекловолокно, асбест, базальтовая вата и каолиновая вата. Одной из проблем при тепловом воздействии является снижение адгезии растворов с основанием и их растрескивание при твердении. Ввод армирующих добавок способствует сохранению целостности. В качестве активных минеральных добавок, призванных сохранить прочность образцов ССС после высокотемпературного нагрева, применялись кембрийская глина, перлит-сырец и жидкое стекло. Для испытаний материалов были составлены методические карты испытаний.

В процессе теплопереноса большое значение имеет температуропроводность материала, которая прямо пропорциональна его теплопроводности и обратно пропорциональна его объемной теплоемкости С.ρо. Таким образом, для эффективной огнезащиты возможно использовать материалы не только с низкой теплопроводностью, но и с максимально высокой объемной теплоемкостью. В свою очередь теплопроводность материала зависит от средней плотности, истинной пористости, размера и характера пор, отражательной способности. Зерна вермикулита обладают высокой отражательной способностью, имеют малый коэффициент излучения, сравнимый с коэффициентом излучения алюминиевой фольги. При повышенных температурах теплопроводность вермикулита растет незначительно, поскольку материал относится с материалам, имеющим малый коэффициент излучения.

С целью обеспечения системного подхода к реализации поставленных задач, была разработана поэтапная схема научного исследования. (рис.1.)



Схема реализации задачи получения композитов повышенной температуростойкости











































Направления реализации задачи получения огнезащитных композитов на гипсовом вяжущем











































Применение местных негорючих сырьевых материалов




Применение модифицирующих добавок




Выбор температурного режима испытаний























































Планирование эксперимента с целью получения огнезащитных растворов со средней плотностью не выше 650 кг/м3 и температурой применения до 1100 °С
















































Подбор соотношения вяжущего и заполнителей

Подбор оптимального соотношения

заполнителей






Подбор оптимальной волокнистой добавки




Подбор оптимальных минеральных добавок





















































Выбор воздухововлекающих, водоудерживающих добавок, адгезивов, регуляторов схватывания и твердения




Выбор оптимального режима перемешивания смеси с применением воздухововлекающей добавки




































































Исследование технических свойств оптимальных составов ССС











































































Исследование свойств огнезащитных композиций после высокотемпературных испытаний (усадочные деформации, остаточная прочность, трещиностойкость)











































































Оценка огнезащитных и технических свойств составов ССС











































































Оценка экономической эффективности производства ССС




























Рис. 1. Схема реализации задачи получения ССС повышенной температуростойкости

Оптимизация составов ССС, обеспечивающих наименьшую плотность при наибольшей прочности растворов выполнялась с использованием методов математического планирования в системе «состав-свойства». В качестве факторов рассматривалось содержание отдельных компонентов, в качестве параметров – средняя плотность растворов (Y1) и предел прочности при сжатии (Y2). Получены уравнения регрессии в кодированном виде:

Y1 = 656 - 61Х1 - 26Х2 + 44Х3 - 19 Х1Х2 – 18Х1Х3 

Y2 = 3,28 - 0,58X1 – 0,25Х2 +0,33Х3 - 0,3Х1Х2 – 0,2Х2Х3

Как следует из уравнений регрессии, наибольшее влияние на среднюю плотность растворов и предел прочности на сжатие оказывает содержание вспученного заполнителя и строительного гипса (факторы Х1 и Х3 имеют наибольшие коэффициенты в уравнениях регрессии). Повышение доли вспученного компонента значительно уменьшает как среднюю плотность, так и прочность растворов. Увеличение содержания вяжущего приводит к росту прочности и средней плотности. Влияние содержания волокнистой добавки (фактор Х3) проявляется в меньшей степени. На основе исследований построены графики, отражающие зависимость прочности на сжатие (Рис. 2) и средней плотности (Рис.3) от количества вспученного компонента и волокнистой добавки.



Рис.2 Средняя плотность растворов в зависимости от содержания вспученного вермикулита и волокнистой добавки.

Рис. 3. Предел прочности при сжатии растворов в зависимости от содержания вспученного вермикулита и волокнистой добавки.



Рис. 4. Зависимость средней плотности и

предела прочности при сжатии растворов от соотношения гипс: вспученный вермикулит

Исходя из результатов математического планирования эксперимента, определены оптимальные составы композитов, с учетом их физико-механических свойств. (Рис.4): соотношение гипсовое вяжущее: вспученный заполнитель = 1:1,5 по объему. Среднюю плотность 600-660 кг/м3 и прочность при сжатии 2,5-3,2 МПа имеют составы:оптимальное соотношение гипс вермикулит.png

содержание гипсового вяжущего (по массе) – 76-79%

содержание вспученного вермикулита – 18 -21%

содержание волокна – 2-3%.




Каталог: upload-files -> users -> anastasia -> nauchnay i innavac deatelnost -> obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> 052305
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Обоснование уровня расчетного сейсмического воздействия при оценке сейсмостойкости зданий и сооружений, эксплуатируемых в особых условиях
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Организация городских рекреационных территорий крупных городов волгоградской агломерации ( на примере г. Волгограда и г. Волжского). 18. 00. 04 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Развитие архитектуры энергосберегающих зданий во вьетнаме
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Архитектурно-планировочное развитие городов среднего приобья
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Учет жесткостных параметров зданий при расчетах оснований и фундаментов
052305 -> Нейтрализация негативного влияния азотсодержащих компонентов в бетоне
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Исследование закономерностей и методов совершенствования инженерной устойчивости природно-технических систем в развитии санкт-петербургской агломерации
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Градоэкологические принципы развития прибрежных зон
obyavleniya o zashhite kandidatskih jekzamenov -> Организационно-экономический механизм реализации инвестиционно-строительных проектов на основе государственно-частного партнерства


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал