Технологические принципы управления макроструктурообразованием газосиликата с использованием фактора давления внешней газовой фазы

Актуальность работы. В настоящее время в строительстве используется множество различных стеновых материалов, отличающихся прочностными и теплозащитными свойствами. Одним из наиболее эффективных и востребованных материалов, используемых для возведения ограждающих конструкций, является силикатный ячеистый бетон автоклавного твердения (газосиликат).

Определяющим этапом в технологии газосиликата является стадия по-ризации, на которой формируется ячеистая структура получаемого материала. При этом качество образующейся макроструктуры в значительной мере определяет прочностные и эксплуатационные показатели изделий из газосиликата. Однако, ввиду достаточно сложной технологии производства, не всегда удается обеспечить его бездефектную структуру. Даже на передовых предприятиях, работающих по зарубежным технологиям и на европейском оборудовании, зачастую имеет место брак, обусловленный, как правило, деструктивными процессами на стадии «созревания» сырца изделий. При этом большинство современных предприятий ориентированы на литьевую технологию формования, которая, несмотря на множество достоинств, обладает существенным недостатком — жесткой привязкой к качеству сырьевых материалов, в особенности к качеству извести, тонкости помола сырья и его чистоте. Имеющие место на практике колебания свойств сырьевых компонентов существенно нарушают ход процесса порообразования, отклоняя его течение от нормального режима, что негативно сказывается на показателях качества получаемых ячеистобетонных изделий.

В данной работе задача управления процессом порообразования решается за счет целенаправленного воздействия на баланс внутренних и внешних сил, действующих в пределах образующихся ячеистых пор. В качестве управляющего параметра выступает давление внешней газовой фазы, приложение которого обеспечивается при производстве изделий в закрытых герметичных формах или камерах. Предлагаемая технология аналогов в отечественной и мировой практике не имеет.

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и практическое подтверждение возможности использования давления внешней газовой фазы как эффективного технологического приема, обеспечивающего управление процессом порообразования и повышение качества изделий из ячеистого силикатного бетона автоклавного твердения.

Основные задачи работы:

— выявить характерные структурные несовершенства газосиликата в современной технологии;

— установить взаимосвязи между структурными несовершенствами ячеистого силикатного бетона и технологическими факторами его получения;

— предложить модельные представления процессов поризации ячеистого бетона и выявить наиболее значимые управляющие факторы;

— обосновать возможность управления формированием бездефектных структур за счет фактора давления внешней газовой фазы;

— выявить благоприятные, с точки зрения получения структур высокого качества, режимы формования с использованием давления внешней газовой фазы;

— разработать математическую модель процесса порообразования как основу управления макроструктурообразованим ячеистого силикатного бетона за счет фактора давления внешней газовой фазы;

— проверить работоспособность полученной модели в реальном технологическом процессе;

— разработать основные положения для решения задачи автоматического управления процессом порообразования с использованием современных средств обработки и передачи информации;

— разработать практические предложения по внедрению новой технологии формования ячеистого силикатного бетона на действующих предприятиях;

— оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых технологических решений.

Объект исследований — ячеистобетонная смесь, ячеистый бетон-сырец, ячеистый силикатный бетон автоклавного твердения пониженной плотности (менее 400 кг/м3).

Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области физической и коллоидной химии, материаловедения, технологии ячеистых бетонов. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались стандартные и нестандартные методики, позволяющие оценить ключевые параметры процесса порообразования и основные характеристики создаваемой макроструктуры ячеистого силикатного бетона.

Научная новизна работы:

1) впервые обосновано использование дополнительного фактора управления процессами порообразования в литьевой технологии газосиликатафактора давления внешней газовой фазы;

2) в рамках решения основной задачи рассмотрен баланс внутренних и внешних сил, определяющих развитие газовой пористостиисходя из этих предположений обоснована возможность эффективного управления процессом порообразования;

3) предложена новая методика морфометрического анализа структуры ячеистого бетона, базирующаяся на принципе избирательной декомпозиции его структурных элементов, что послужило основой для качественной и количественной идентификации характеристик макроструктуры газосиликата, полученного в исследованных режимах;

4) научно обоснованы оптимальные, с точки зрения получения структур высокого качества, режимы формования с использованием внешнего давления газовой фазы как управляющего факторавыявлены граничные условия его эффективного использования;

5) разработана математическая модель процесса газовыделения, на основе которой разработан алгоритм определения оптимальной величины прилагаемого внешнего давления, обеспечивающего получение высококачественной структуры ячеистого бетона.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатовиспользованием аттестованного лабораторного оборудованиясопоставимостью полученных результатов с ранее выполненными исследованиями других авторов, а также всесторонними испытаниями и их положительным практическим эффектом.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования давления внешней газовой фазы, как эффективного управляющего фактора, обеспечивающего получение высококачественных изделий с бездефектной макроструктурой, высокими прочностными показателями и высокими эксплуатационными свойствами. Разработанные подходы позволяют автоматизировать процесс поризации смеси. За счет предлагаемых решений уменьшается зависимость протекания процесса поризации смеси от колебаний свойств сырьевых компонентов, повышается стабильность показателей качества выпускаемой продукции.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях международного, республиканского и др. уровней: «Молодежь и XXI век» (Курск, 2008) — «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2009) — «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» (Воронеж, 2009) — «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, 2010) — на 15 академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010) — на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (Воронеж, 2008;2011).

Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к практической реализации в рамках реконструкции ЗАО «Воронежский комбинат строительных материалов» в составе организационно-технических мероприятий при организации производства изделий из газосиликата. Разработаны технологические рекомендации по производству стеновых блоков из ячеистого силикатного бетона плотностью Б350, формуемых по предлагаемой технологии.

Результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс в Воронежском ГАСУ по специальности 270 106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» при изучении дисциплин «Технология автоклавных материалов» и «Технология изоляционных строительных материалов и изделий», а также при выполнении УИРС по курсу «Основы научных исследований и технического творчества».

На защиту выносятся:

— закономерности процессов макроструктурообразования ячеистых силикатных бетонов и способы управления этими процессами;

— подходы к идентификации качественных характеристик ячеистых структур;

— научное обоснование возможности использования давления внешней газовой фазы как эффективного управляющего фактора в технологии ячеистых силикатных бетонов;

— результаты экспериментальных исследований влияния давления внешней газовой фазы на физико-механические свойства ячеистого силикатного бетона;

— основные подходы и алгоритм автоматического управления процессом поризации силикатобетонной смеси;

— практические рекомендации по управлению процессом поризации за счет фактора давления внешней газовой фазы.

Публикации. Результаты исследований изложены в 8 опубликованных работах общим объемом 38 с. (личный вклад автора — 28 е.), из них 2 — в изданиях из перечня ВАК. По материалам исследований подана заявка на регистрацию компьютерной программы «МСЖГО», позволяющей производить морфометрический анализ структуры загружаемых изображений.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, изложена на 192 страницах и содержит 144 страницы машинописного текста, 66 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 129 наименований и 2 приложения.