CC BY
87
УДК 666.97:678.746.222
Ф. С. ЛОБАЧЁВ, А. О. НУРГАЗИНОВА, Л. А. ВАРЛАМОВА, П. В. КОРНИЕНКО
ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИСТИРОЛБЕТОНА С ОПТИМАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ
В статье рассматриваются вопросы оптимизации основных-физико-технических свойств полистиролбетонов — принципиально нового класса теплоизоляционно-конструкционных бетонов, отвечающих повышенным требованиям энергоресурсосбережения в области строительства.
Повышение требований по энергоресурсосбережению в строительстве ставит в приоритетнее положение особо легкий полистиролбетон (ПСБ) плотностью от 150 до 600 кг/ м3, прочностью 0,2-3,5 МПа, морозостойкостью F25-F100 по ГОСТ Р 51263-99, разработанный ВНИИ железобетоном, занимающий особое место как наиболее эффективный теплоизоляционно-конструктивный материал.
Он не требует существенных затрат на создание производства, а его применение, при обеспечении современных требований по теплозащите, не приводит к утолщению наружных стен зданий, как это имеет место при использовании ячеистых бетонов, что снижает эффективность инвестиционных затрат на строительство.
В отличие от ближайшего аналога - ячеистого бетона - полистиролбетон представляет собой принципиально новый класс теплоизоляционно-конструкционных бетонов, обладающих уникальными свойствами: повышенной в среднем в 2,5 раза прочностью на растяжение при изгибе и на 10-15% прочностью на сжатие; пониженными в 1,5 раза водопоглощением, на 10-30% теплопроводностью и в 2,7 раза паропроницаемостью.
Морозостойкость ПСБ значительно выше, чем у автоклавных ячеистых бетонов, испытываемых по регламентируемой ГОСТ 31359-2007 мягкой методике с оттаиванием замороженных образцов над водой, что приводит к их постепенному высыханию, уменьшению деструкционных процессов и завышению показателей морозостойкости на 2-3 марки против жесткой методики ГОСТ 10060.1-95 с оттаиванием образцов в воде. В условиях отсутствия единой методики испытаний легких бетонов для сопоставления с ячеистым бетоном Мрз полистиролбетона должна умножаться на повышающий коэффициент К=2.
46
В полистиролбетонных конструкциях плотностью от 250 кг/ м3 металлическая арматура в отличие от ячеистого бетона не требует защитных покрытий. Данный материал имеет высокие показатели по звукоизоляции и долговечности, легко обрабатывается, биостоек, не повреждается грызунами.
Теплотехнический потенциал полистиролбетона, изготавливаемого по традиционной технологии, в настоящее время имеет значительные резервы, связанные с возможностью технологического управления свойствами материала, основанного на расчетной модели зависимостей прочности, плотности и теплопроводности полистиролбетона от состава и качества его компонентов.
В данной работе на основе разработанной ВНИИжелезобетоном [1, 2] расчетной модели полистиролбетона как двухкомпонентного материала слитной структуры предложены формулы для определения прочности (1, 2) и плотности материала (3)
Формула (1) связывает прочность ПСБ с его плотностью, характеристиками компонентов и содержанием пенополистирольного вспененного гранулированного заполнителя (ПВГ). Формула (2) описывает прочность ПСБ как функцию прочности цементной матрицы согласно общепринятой зависимости R = f (Дц, Ц/В) с учетом снижения прочности матрицы при ее поризации, а также впервые используемых коэффициентов, отражающих влияние концентрации < <Р > и свойства <п> ПВГ.
Преобразуя формулу (1), можно получить удобное для практики уравнение (4), позволяющее рассчитать плотность ПСБ с требуемой прочностью
ТЛ " ^
В случае поризованной цементной матрицы
где - объем вовлеченного воздуха, %;
Рц - плотность цемента, г/с м3;
Дц - активность цемента, в возрасте 28 сут. или после тепловой обработки, МПа;
п - комплексный показатель, характеризующий совокупность свойств ПВГ и их влияние на прочность ПСБ.
Варьир}емые параметры в этих формулах - объемная концентрация <Р - 0,3-0,65;
47
- плотность гранул - 0,02-0,06 г/с м3;
что соответствует насыпной плотности - 7-30 кг/ м3;
Ц/В - от 1,2 доЗ.
- объем вовлеченного воздуха в цементной матрице от 30 до 70 %
Требуемая прочность ПСБ марок D250 и выше (отпускная или в проектном возрасте), учитываемая при расчете стен и перемычек теплоэффективных зданий, принимается в зависимости от класса по прочности ПСБ (В0,35-В2,5) и его однородности. Согласно ГОСТ Р 51263-99 нормативный партионный коэффициент вариации ^п) ПСБ равен 18%. Однако, как показал производственный опыт, при надлежащей технологии и контроле качества значение Vп может составлять 10-12%. Это в соответствии с методикой ГОСТ Р 18105-90 позволяет снизить требуемую плотность до 25% и получить ПСБ с заданной прочностью.
Наличие формул позволяет рассчитать влияние различных факторов на прочность и плотность ПСБ. При снижении водосодержания смеси, например за счет введения водоредуцирующих добавок или повышения ее жесткости, прочность ПСБ практически не меняется, так как для сохранения одинаковой плотности бетона необходимо увеличить объем вовлеченного воздуха, что нивелирует эффект от повышения Ц/В. Как следует из анализа формулы (4) и кривых на рис. 1 и 2, в зависимости от свойств ПВГ возможно получение составов наименьшей плотности при различных значениях ф. Использование высококачественного ПВГ (п=1,6) с оптимальной ф=0,6 позволяет на 30-40% снизить плотность по сравнению с ПСБ, приготовленном на ПВГ низкого качества (п=2,8) с тем же Ф = 0,6.
При оптимизации ф уменьшается различие в плотности ПСБ, приготовленных на ПВГ с низким и высоким качеством. Причем этот эффект мало зависит от прочности ПСБ. Оптимизация величины ф дает
Рис. 1 - Расчетные зависимости между плотностью и прочностью ПСБ при варьировании показателя качества ПВГ (п) и его содержания в полистиролбетоне (ф): 1, 3, 5, 7 - ф =0,3; 2, 4, 6, 8 - ф =0,6; 1, 2 - п=1,6; 3, 4 - п=2,0; 5, 6 - п=2,4; 7, 8 - п=2,8
48
больший эффект для бетонов, приготовленных на ПВГ низкого качества (п=2,5-3,0 - снижение рПСБ на 20-25%). Для ПСБ, приготовленного на ПВГ высокого качества (п=1,5-1,7), эффект снижения плотности составляет 5-10%.
Таким образом, для получения ПСБ наименьшей плотности необходимо устанавливать оптимальные значения ф с учетом свойств применяемого ПВГ. При этом необходимо обеспечить требуемую удобоукладываемость, воздухоудерживающую способность, нерасслаиваемость, сохраняемость и перекачиваемость (для монолитного бетона) приготовляемых смесей. Уплотненная смесь должна иметь слитную (поризованную) структуру. Для этого необходимо соблюдать надлежащий режим приготовления смеси, правильно назначать дозировку воды и воздухововлекающей добавки.
Практическое использование выведенных формул требует увязки комплексного показателя п с конкретными определяемыми и контролируемыми характеристиками ПВГ (крупность, плотность, прочность и однородность гранул). Результаты экспериментов выявили явную тенденцию к росту п по мере увеличения размера гранул ПВГ и снижения их плотности (прочности).
Для совокупной оценки характеристик ПВГ был предложен параметр т, рассчитываемый по формуле где - средний размер гранул, мм
- плотность гранул, г/см3, К 1 - совокупный коэффициент, учитывающий изменение прочности гранул, однородности их поровой структуры, температурного режима и кратности вспенивания и охлаждения
(К = 2);
К2 - коэффицент, учитывающий однородность гранул по размерам
(К = 1,1).
Обработка результатов экспериментов позволила построить обобщенную зависимость между п и т, которая описывается формулой.
Рис. 2 - Влияние показателя качества ПВГ (п) на плотность ПСБ при различной ф и прочности полистиролбетона: 1-3 - RПCБ=0,5 МПа; 4-6 - RПCБ=2,0 МПа; 1, 4 - ф 0,3; 2, 6 - ф 0,6; 3, 5 - оптимальное ф для ПСБ данной прочности
49
п= 1,5 + 1,7 ^ тп - 0,03
На рис. 3 показана усредненная зависимость между комплексным показателем п и параметром т.
Расчетные формулы учитывают результаты испытаний более 80 составов ПСБ марок D150-D550 с прочностью 0,23,0 МПа, приготовленных на 33 партиях ПВГ, полученных на заводе ЗАО «Юникон-ЗСК» (рис. 4) и ряде предприятий России. В испытаниях варьировались насыпная плотность ПВГ (7-30 кг/ м3), плотность гранул (0,02-0,06 г/с м3) со средним размером 2,5-10 мм с рядовым и фракционированным зерновым составом. В опытах применяли цементы различных заводов с активностью 30-50
МПа.
Расхождения между фактическими и расчетными значениями плотности и прочности ПСБ находились в пределах ±12%, среднее квадратическое отклонение составило 6,3%.
—
г'
/ £
V
Г
».I •л о,- од йл с* о.»
Рис. 3 - Зависимость между комплексным показателем п и параметром т, оценивающим совокупность свойств ПВГ: 1 - усредненная зависимость; 2 и 2а - пределы колебаний
Требуемая Платность ПСБ/расход цем*нга, кг/иН
прочность П:1 Б при применении ПВГ с п и значениях ц>
через 23 суток. п=1,б; N=2,0; п=2.4: п=2,3;
МПа Ф=0,5 -0,6 о=0,3-0,6 э=0.3-0.4 о=0,3
0,5 205/160 235/190 250/210 250/210
0.7?. 245/194 285/235 300/255 315/270
1,0 265/210 32 5/270 335/235 360/305
1,5' 335/270 395/330 415/355 43 5/370
2,0 365/315 450/380 485/415 495/425
23 425/350 500/420 535/455 560/460
3,5 435/405 590/500 630/540 650/570
5,0 595/500 700/605 - -
Таким образом, проведенные исследования позволили предложить для практики статистически обоснованные эмпирические расчетные формулы для определения плотности ПСБ с требуемой прочностью.
Пользуясь этими формулами, можно без проведения трудоемких экспериментов установить значения минимальной плотности ПСБ с требуемой прочностью на применяемых материалах и оптимальный состав полистиролбетона (значения , расход цемента).
Окончательный состав должен устанавливаться по результатам приготовления смесей в производственных условиях с уточнением 50
Таблица 1. Минимальные значения плотности ПСБ (в сухом состоянии) и расход цемента при применении ПВГ различного качества
расходов воды и воздухововлекающей добавки для получения смеси с требуемыми свойствами и наименьшей стоимостью.
В табл. 1 приведены значения минимальной плотности ПСБ при использовании ПВГ с различными характеристиками, а также оптимальные значения ф и расходы цемента для получения таких бетонов.
Данные табл. 1 свидетельствуют о том, что применение ПСБ минимальной плотности с оптимальным содержанием ПВГ наивысшего качества позволяет в среднем снизить плотность до 40% и расход цемента на 20-25%.
Расход цемента рассчитывали по формуле
Рпсв - V ■ Рпвг
Для получения ПСБ с минимальной плотностью следует использовать ПВГ с возможно меньшей величиной показателя п- желательно 1,5-1,7. Такой ПВГ может быть получен при значениях т, равных 0,03-0,05.
Анализ формулы (6) показывает, что для этого надо использовать мелкий ПВГ (фракций 1,25-5 мм) с плотностью гранул 0,02-0,06 г/с м3, отличающихся повышенной прочностью (величина К1 не менее 2). Насыпная плотность такого ПВГ будет находиться в пределах 11-25 кг/ м3 (для ПСБ D350-D600) и 8-10 кг/м3 (для ПСБ D150-D300), а его расход на 1 м3 ПСБ - 0,9-1,1 м3.
В табл. 2 показаны эффективность различных технологических приемов снижения коэффициентов теплопроводности ПСБ (в сухом состоянии и при условиях эксплуатации Б), включая повышение однородности производства
Класс ПСБ по прочности Треб/емая прочность, МПа, при У„,% Платность ПСБ, кг/м3 Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, Вг/м=С Расчетный коэффициент теплоп ровопнсхги, Вт/ мпС, при у;ловиях эксплуатации Б
ПСБ | МПСБ ПСБ | МПСБ
ри плотности при плотности
18 12 мин. ср. мин. ср. мин. ср. мин. ср. мин. ср.
ВО .35 0.52 0.41 175 245 0.060 0.074 0,049 0,064 0.067 0,067 0,054 0.073
ВО .5 0.75 0.58 220 290 0.06:' 0,083 0,060 1:1.071 0,071 0.101 0,067 0.084
ВО .7 5 1.12 и .88 250 350 0,075 0,095 0.065 0,061 0,090 и .120 0,075 0,096
ЕЮ 1.55 1.17 295 395 0,064 0,104 0,072 0,088 0.102 0.129 0,065 и .105
В1.5 2.25 1.75 360 450 0,102 0.120 0.063 0.103 0,122 0.145 0,101 0.123
В2,0 3,00 2.34 415 500 0.113 0.137 0.091 0.115 0.133 0,166 0.109 0.149
В2.5 3.75 2,93 450 620 0.125 0,149 0,097 0.124 0,145 0.205 0.115 0,163
ВЗ .5 5.25 4,10 510 0.132 0,107 0.16.9 0.129
Таблица 2. Эффективность различных технологических приемов повышения теплозащитных свойств полистиролбетона. Примечания 1. МПСБ - модифицированный полистиролбетон, приготавливаемый на цементно-шлаковом вяжущем или ШПЦ специального назначения с водоредуцирующими добавками.
2. Минимальная плотность ПСБ рассчитывалась по формуле (3) при RПСБ, определенном по ГОСТ 18105 при Vn=12%, ф=0,5-0,6, п=1,6. Средняя плотность - при ф=0,3-0,4, п=2,8
полистиролбетонных
изделий в заводских условиях с уменьшением коэффициента вариации по прочности с Уп=18% до Уп=12%, и выпуск опытных партий
51
модифицированного полистиролбетона (МПСБ) с применением шлакопортландцемента (ШПЦ).
Как следует из данных табл. 2, приемы, снижающие плотность ПСБ,
- оптимизация состава и свойств ПВГ (п) и повышение его однородности -позволяют уменьшить коэффициент теплопроводности в сухом состоянии на 15-25%, а расчетный коэффициент теплопроводности - на 20-30%.
Модификация ПСБ снижает коэффициент теплопроводности на 13-20% для бетона минимальной плотности и на 14-17% для ПСБ со средней плотностью. Расчетный коэффициент уменьшается на 16-20% для ПСБ со средней плотностью и на 30-45% для МПСБ минимальной плотности по сравнению с ПСБ со средней плотностью.
Во всех случаях конечные показатели насыпной плотности ПВГ и экономии цемента должны быть увязаны с экономикой получаемого ПСБ.
Учитывая, что цена 1 м3 ПВГ зависит от стоимости бисерного стирола при использовании в ПСБ минимальной плотности ПВГ с повышенной плотностью, стоимость сырья на 1 м3 ПСБ, несмотря на снижение расхода цемента, может повыситься.
Однако при технико-экономической оценке строительных материалов для наружных ограждающих конструкций расчеты следует выполнять не на 1 м3 материала, а на 1 м2 конструкций при их требуемом уровне теплозащиты. При подобном подходе необходимо учитывать сниженное до 20% значение расчетного коэффициента теплопроводности ПСБ минимальной плотности. В результате толщина однослойной блочной полистиролбетонной кладки для наружных стен даже в условиях повышенных требований к сопротивлению теплопередаче до Rо=3,5 м2оС/ Вт (для Центрального региона России в 1,4-1,8 раза) может быть уменьшена на 10-15%. При расчете на 1 м2 стены это обстоятельство снижает расход материалов, электроэнергии и дает значительную экономию при производстве ПСБ изделий и строительстве энергоэффективных зданий.
Одним из преимуществ такого подхода является возможность использования для ограждающих конструкций ПСБ средней и повышенной плотности (0400-0450) наряду с увеличением размеров стеновых блоков.
Обобщение экспериментальных данных в условиях заводского производства показало, что водопотребность полистиролбетонных смесей повышается с ростом плотности ПСБ и расходом цемента. Для ПСБ 0150 водопотребность составляет 90-100 л/ м3, для ПСБ 0600
- 170-180 л/ м3 (марки смеси по удобоукладываемости П1-П2). Для получения смеси повышенной удобоукладываемости (марки П4-П5)
52
должны применять пластификаторы, снижающие расход воды, но не влияющие на прочность бетона. Ц/В цементного теста по мере увеличения плотности ПСБ повышается с 1,0-1,3 ^150) до 2,7-3,0 ^600). Объем вовлеченного воздуха в бетонной смеси, необходимый для получения слитной структуры с превышением плотности уменьшается с 30-35% до 15- 20%. Уменьшение ф с 0,6 до 0,3 требует увеличения степени поризации и дозировки воздухововлекающей добавки. Однако при интенсивном режиме перемешивания это увеличение не превышает 1020% и незначительно замедляет схватываемость смеси.
Существенное влияние на перемешивание и поризацию смеси оказывает влажность ПВГ. С повышением влажности до 20-30% насыпная плотность ПВГ увеличивается на 10-15%. При объемном дозировании это приводит к уменьшению фактического содержания заполнителя, вызывая при неизменной дозировке воздухововлекающей добавки уменьшение объема вовлеченного воздуха и повышение плотности бетона. Для приготовления ПСБ с высокой однородностью следует использовать ПВГ с постоянной влажностью 10-12%.
Анализ приведенных выше формул и накопленного опыта заводского производства полистиролбетонных ограждающих конструкций и изделий позволяет рекомендовать следующие основные технологические мероприятия для улучшения свойств и оптимизации составов полистиролбетонов
- получение ПСБ с улучшенными свойствами требует организации специализированного производства пенополистирольного заполнителя высокого качества (показатель п -1,5-1,7) из подготовленного сырья -фракционированного бисерного стирола, обеспечивающего при оптимальных режимах вспенивания и охнаслаждения получение мелкого заполнителя (фракций 1,25-5 мм) с плотностью гранул 0,02-0,06 г/с м3, влажностью
10-12%, насыпной плотностью 8-10 кг/ м3 для ПСБ D150-D300 и
11-25 кг/ м3 для ПСБ D350-D600. Конструкция установок должна обеспечивать минимальный расход тепла, потери сырья и необходимую экологическую безопасность;
53
- приготовление ПСБ должно осуществляться с поризацией воздухововлекающими добавками. За счет постоянства плотности, зернового состава и влажности ПВГ, применения объемных дозаторов (точность ±2%), регулярного контроля плотности приготовленной смеси (отклонение от заданной ±3%) и точности дозирования добавок, воды и цемента ПСБ должен иметь высокую
Рис. 6. Откалиброванные полистиролбетонный ^
стеновой блок и перемычки однородность по плотности и
прочности. Партионный оэффициент вариации по прочности не должен превышать 12%. Это позволяет при приготовлении ПСБ марок D250 и выше снизить требуемую плотность до 25% с обеспечением заданной прочности материала;
- для дополнительного уменьшения коэффициента теплопроводности ПСБ с пониженной плотностью рекомендуется технология модифицированного полистиролбетона (МПСБ) с использованием в качестве вяжущего шлакопортландцемента (ШПЦ) специальной поставки с гарантированной маркой 400-500 и пониженной на 30-40% теплопроводностью с содержанием молотого граншлака 30-50%, а при приготовлении смеси - введением водоредуцирующих добавок 1-2 групп эффективности. Теплопроводность может при этом снизиться дополнительно до 15%, а в целом с учетом пониженной плотности - до 20-25%. Для реализации этого эффекта необходимо организовать на основе ШПЦ массовое промышленное производство «теплого» цемента с гарантированной пониженной теплопроводностью и стабильной активностью (40 МПа и более);
- наличие полученных расчетных формул позволяет на стадии проектирования намечаемых к строительству зданий и организации производственной базы выполнить в рамках ТЭО оптимизацию составов ПСБ и их расчетных показателей (плотности, прочности, теплопроводности), необходимых для установления толщины наружных ограждающих конструкций, предполагаемую стоимость ПСБ и конструкций, технико-экономическую эффективность намечаемого строительства.
В заключение необходимо отметить, что специалистами ВНИИжелезобетона под руководством автора разработана комплексная инновационная технология полистиролбетонов, основанная на:
- использовании полученных статистически обоснованных аналитических зависимостей для расчета минимальной плотности и теплопроводности при оптимальной прочности полистиролбетона с учетом новых комплексных параметров ПВГ, основанных на опыте работы ЗАО «Юникон-ЗСК» и других производств России;
- отработанной в производственных условиях ЗАО «ЮниконЗСК» технологии получения повышенной однородности продукции (рис. 6) с доведением партионного коэффициента по прочности бетона до Vп=12%;
- технологии производства одифицированных бетонов с использованием «теплых» цементов (ШПЦ), отработанной на опытной базе института. Заводское производство изделий по данной технологии будет осуществлено при промышленном выпуске «теплого» цемента;
- модернизированной технологии производства ЗАО «Юникон-ЗСК», использующего новое смесительное, формовочное, калибровочное оборудование и модификаторы свойств ПСБ,обеспечивающие возможности компьютерных технологий для приготовления ПСБ с заданными свойствами с учетом показателей ПВГ и автоматизированного производства по резательной технологии с расчетной толщиной ограждающих конструкций энергоэффективных зданий, определяемой в зависимости от района строительства, типа здания и нормативных требований по теплозащите.
При этих условиях реализуются значительные технологические резервы полистиролбетона, используемого для ограждающих конструкций энергоэффективных зданий системы «Юникон», которые по праву занимают лидирующее место среди строительных материалов в России.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Рахманов, В. А., Довжик, В. Г. Амханицкий, Г. Я. «Улучшение свойств и оптимизация составов полистиролбетона». Труды II Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону. М. 2005. Т. 4.
2. Рахманов, В. А. «Расчетный метод определения состава полистиролбетона с требуемой прочностью и минимальной плотностью». Журнал «Промышленное и гражданское строительство», № 7, 2009.
55
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар.
Материал поступил в редакцию 20.09.12.
Ф. С. Лобачёв, А. О. Нургазинова, Л. А. Варламова П. В. Корниенко Полистиролбетон к^рылымынын уйлес1мдЫпнщ инновациялык технологиясы
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к.
Материал 20.09.12 баспаFа тYстi.
F. S. Lobachev, A. O. Nurgazinova, L. A. Varlamova, P. V Kornienko Innovative technology polystyreneconcretes with optimal properties
Pavlodar State University after S. Toraigyrov, Pavlodar.
Material received on 20.09.12.
Мацалада цурылыс аумагында энергия цорын yHemdeydi талап emydi жогарылатуга жауапты жаца кластагы жылуизоляторлыц-конструкциялыц бетондардыц полистиролбетондардъщ жалпы физико-техникалыц цурылымыныц оцтайландыру сурагы царастырылады.
The article deals with optimization of the main-physical-technical properties of polystyrene - a fundamentally new class of heat-insulating structural concrete, corre-sponding to the increased requirements of energy saving in the area of construction.
56
