Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНОБЕТОНА, ПОЛУЧЕННОГО С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕВОГО СТРУЙНОГО АППАРАТА'

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНОБЕТОНА, ПОЛУЧЕННОГО С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕВОГО СТРУЙНОГО АППАРАТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
41
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПЕНА / ПЕНОБЕТОН / FOAM / ВИХРЕВОЙ СТРУЙНЫЙ АППАРАТ / VORTEX JET APPARATUS / FOAM CONCRETE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Абиев Руфат Шовкетович, Козлов Василий Владимирович

Работа посвящена исследованию физических и структурных характеристик пенобетона, полученного с помощью нового устройства - вихревого струйного аппарата (ВСА), используемого в качестве пеногенератора. Исследования ВСА выполнены на лабораторной установке промышленного масштаба, включая выявление оптимального режима генерирования пены. Из полученной пены изготовлены образцы пенобетона различной плотности (450÷1400 кг/м3), определены их характеристики: кажущаяся плотность, прочность при сжатии, коэффициент теплопроводности и др. Проведен анализ пористой структуры пенобетона: найден средний диаметр пор, определен закон распределения пор по размерам. С использованием статистических методов обработки данных получены корреляционные зависимости прочности, коэффициента теплопроводности и размера пор от кажущейся плотности пенобетона. Анализ результатов исследований показал, что свойства пенобетона, полученного с помощью ВСА, полностью соответствует требованиям российских стандартов на пенобетон. При этом для генерирования пены не требуется компрессор, что позволяет снизить себестоимость производства и создавать мобильные установки для получения пенобетона, например, для коттеджного строительства

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Абиев Руфат Шовкетович, Козлов Василий Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF PROPERTIES OF FOAM CONCRETE PRODUCED BY MEANS OF VORTEX JET APPARATUS

Study was to investigate physical and structural properties of the foam concrete produced by means of a new foam generating device - a vortex jet apparatus (VJA). VJA investigations were performed at the laboratory unit having an industrial scale. The investigations included identification of an optimal foam generation mode. Foam concrete samples with various densities (450÷1400 kg/m3) were produced on the basis of this foam, and the main properties of the samples, such as the apparent density, compressive strength, coefficient of thermal conductivity, etc., were defined. The average pore size and pore size distribution in the foam concrete were also determined. The correlations between the compressive strength, coefficient of thermal conductivity, and average pore size and the apparent density were defined by using statistical methods of data processing. The analysis of the results obtained has shown that the properties of the foam concrete produced by means of VJA fully satisfy the requirements of the Russian standards for the foam concretes. Besides, no compressor is needed to feed air into the VJA, which allows reduction in the net cost of production and creation of mobile units for foam concrete production which can be used, e.g., for the private house construction.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНОБЕТОНА, ПОЛУЧЕННОГО С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕВОГО СТРУЙНОГО АППАРАТА»

УДК 691 + 69.002.5

Rufat S. Abiev1, Vasiliy V. Kozlov2

study of properties of foam concrete produced by means of vortex jet apparatus

St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 26, Moskovsky Pr., St Petersburg, 190013, Russia e-mail: rufat.abiev@gmail.com

The aim of our study was to investigate physical and structural properties of the foam concrete produced by means of a new foam generating device - a vortex jet apparatus (VJA). VJA investigations were performed at the laboratory unit having an industrial scale. The investigations included identification of an optimal foam generation mode. Foam concrete samples with various densities (450+1400 kg/m3) were produced on the basis of this foam, and the main properties of the samples, such as the apparent density, compressive strength, coefficient of thermal conductivity, etc., were defined. The average pore size and pore size distribution in the foam concrete were also determined. The correlations between the compressive strength, coefficient of thermal conductivity, and average pore size and the apparent density were defined by using statistical methods of data processing. The analysis of the results obtained has shown that the properties of the foam concrete produced by means of VJA fully satisfy the requrrements of the Russian standards for the foam concretes. Besides, no compressor is needed to feed air into the VJA, which allows reduction in the net cost of production and creation of mobile units for foam concrete production which can be used, e.g., for the private house construction.

Key words: foam concrete, foam, vortex jet apparatus

Р.Ш. Абиев, В.В. Козлов

исследование характеристик пенобетона, полученного с помощью вихревого струйного аппарата

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: rufat.abiev@gmail.com

Работа посвящена исследованию физических и структурных характеристик пенобетона, полученного с помощью нового устройства - вихревого струйного аппарата (ВСА), используемого в качестве пеногенератора. Исследования вСа вы/полнены/ на лабораторной установке промышленного масштаба, включая выявление оптимального режима генерирования пены. Из полученной пены/ изготовлены/ образцы/ пенобетона различной плотности (450+1400 кг/м3), определены/ их характеристики: кажущаяся плотность, прочность при сжатии, коэффициент теплопроводности и др. Проведен анализ пористой структуры/ пенобетона: найден средний диаметр пор, определен закон распределения пор по размерам. С использованием статистических методов обработки данных получены/ корреляционные зависимости прочности, коэффициента теплопроводности и размера пор от кажущейся плотности пенобетона. Анализ результатов исследований показал, что свойства пенобетона, полученного с помощью ВСА, полностью соответствует требованиям российских стандартов на пенобетон. При этом для генерирования пены/ не требуется компрессор, что позволяет снизить себестоимость производства и создавать мобильные установки для получения пенобетона, например, для коттеджного строительства.

Ключевые слова: пенобетон, пена, вихревой струйный аппарат

Р01 10.15217^п1998984-9.2018.43.71

Введение

Пенобетон - искусственный каменный материал, изготавливающийся, как правило, из портландцемента, песка мелкой фракции и пены, по всему объему имеющий гомогенную пористую структуру в виде пор, которые считаются замкнутыми [1-3].

Это один из немногих строительных материалов, сочетающий в себе хорошую механическую прочность, низкий коэффициент теплопроводности, сравнительную простоту в производстве и применении. Пенобетон применяется преимущественно в строительстве: производство строительных блоков, монолитное домостроение, тепло- и звукоизоляция стен, потолков, перекрытий крыш и т.д., но также активно используется и в других областях промышленности, например, при теплоизоляции трубопроводов.

Одно из преимуществ пенобетона - возможность экономии сырья (цемента, песка) при изготовлении элементов, не испытывающих пиковые нагрузки, к которым

предъявляется повышенные требования по звуко- и теплоизоляции.

Этот вид ячеистого бетона привлекателен, в частности, еще и тем, что раствор можно готовить непосредственно на стройплощадке. В отличие от других видов аналогичной продукции, в составе приготовляемой смеси отсутствуют крупные фракции (гравий, щебень), что определяет как специфику ее применения, так и особенности дальнейшей эксплуатации возведенных из этого материала конструктивных элементов.

Один из способов использования пенобетона -заливка готовой массы в форму. Подвижность, приемлемая текучесть смеси широко используется при различных видах работ - ремонтных, реставрационных, строительных [2-3]. К достоинствам применения пенобетона относятся: 1. Низкая стоимость работ на строительном объекте. Например, для получения 3-5 м3 готовой смеси потребуется не более 1 т цемента (в зависимости от требуемой марки конечного продукта). Кроме того, отпадает необходимость в использовании громоздкой

1. Абиев Руфат Шовкетович, д-р тех. наук, профессор, заведующий кафедрой оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, email: rufat.abiev@gmail.com

2. Rufat Sh. Abiev, Dr Sci. (Eng.), Head of Department of Optimization of Chemical and Biotechnological Equipment

3. Козлов Василий Владимирович, магистрант кафедры оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, e-mail: vaaasyakozlov@gmail.com

4. Vasiliy V. Kozlov, graduate student, Department of Optimization of Chemical and Biotechnological Equipment Дата поступления - 20 февраля 2018 года

специальной техники, например, подъемного оборудования. Вместо этого достаточно использовать пеногенератор, смеситель пены с цементом и песком, специальный насос для перекачивания пенобетона и трубы/шланги.

2. Несложная технология исполнения, не требующая привлечения профессионалов высокой квалификации.

3. Сокращенные сроки проведения всех необходимых мероприятий, обусловленная коротким технологическим циклом приготовления пенобетонного раствора.

4. Универсальность метода. Можно заливать пенобетоном полы, перегородки, кровли, а также использовать в ряде других случаев. Например, для обустройства термовкладышей. Смесь можно укладывать и непосредственно на грунт.

5. Возможность получения однородной монолитной стяжки, которая легко выравнивается благодаря текучести массы.

6. Прочность отвердевшего раствора, исключение в дальнейшем вероятности появления микротрещин, в отличие от склонных к трещинообразованию традиционных бетонных или песчано-цементных смесей.

7. При заливке пенобетоном полов достигается не только их качественное выравнивание, но и значительно снижается общая нагрузка на несущие части строения (по сравнению с цементной или бетонной стяжкой - в 2,5 раза); повышается уровень звуко- и теплоизоляции помещения. К тому же, ремонт пенобетонного заливного пола значительно проще и дешевле.

Одним из перспективных устройств, обеспечивающих получение пены с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами, является вихревой струйный аппарат (ВСА) [9], первые исследования которого опубликованы в работах [10-12].

Основным преимуществом ВСА является сочетание осевого и тангенциального движения потоков, что приводит к многократному (в 10-25 раз по сравнению с обычными эжекторами) увеличению кинетической энергии потока за счет увеличения тангенциальной скорости в горловине ВСА и вблизи нее [9]. Это приводит к возникновению глубокого разрежения в указанной зоне (до минус 98,1 кПа) [13], мощных сдвиговых напряжений. Все это в сочетании с высокими скоростями движения сплошной фазы (до 25 м/с в горловине) ведет к образованию тонкодисперсной газожидкостной смеси с достаточно мелкими пузырьками, имеющими довольно узкое распределение диаметров. Это, в свою очередь, способствует повышению прочности и стабильности пены, что является бесспорным преимуществом в промышленной практике. Кроме того, довольно значительный вакуум, создаваемый в горловине ВСА, позволяет обойтись без компрессора, что сокращает число элементов технологической схемы производства и снижает стоимость изготовления пенобетона.

Пористая структура или микроструктура, определяемая пористостью, распределением размеров пор и их формой, является важнейшей характеристикой пенобетона, поскольку оказывает влияние на все свойства готового материала, например на кажущуюся плотность, прочность, долговечность и др.

Для того чтобы оценить влияние микроструктуры на свойства пенобетона, необходимы критерии, с помощью которых можно было бы описать микроструктуру, дать ее количественную оценку.

Целью данной работы является установление связи между микроструктурой пенобетона (пористость и распределение пор по размерам), полученного на основе пены, сгенерированной ВСА, и его физическими и структурными характеристиками (прочность при сжатии, кажущаяся плотность, коэффициенты теплопроводности и водопоглощения, и др).

Аналогичные исследования проводились и продолжают проводиться (для пенобетона, полученного обычными методами) во всем мире, например, в Китае, Индии, Великобритании, Германии и других странах.

Например, Хилалом с соавторами [14] в 2015 г. проводились исследования пены и пористой структуры пенобетона: показаны дифференциальные и интегральные графики распределения пузырьков пены и пор в пенобетоне по размерам; проанализирована геометрия пор - определялся так называемый коэффициент округлости (функция периметра и площади пор на срезе); определены причины возникновения такого явления, как слияние крупных пор. Выявлено, что медианный диаметр пузырьков пены больше (с150 = 325 мкм), чем медианный диаметр пор в пенобетоне (<С50 = 180 мкм, 175 мкм, 165 мкм для образцов пенобетона с кажущейся плотностью 1300, 1600 и 1900 кг/м3 соответственно). Медианный диаметр определялся по функции распределения частиц по их размерам; аналогичный характер наблюдался для функции распределения частиц по площади частиц. Независимо от плотности, слияние пор наблюдается во всех образцах пенобетона; чем ниже плотность пенобетона, тем больше в нем слившихся пор. Чем выше плотность бетона, тем меньше медианный диаметр пор.

В 2007 г. Кунхананданом и Рамамёрфи [15] проводились исследования пористой структуры пенобетона и ее влияния на основные физические характеристики материала. Проведено сравнение двух видов пенобетона, где в первом варианте в качестве наполнителя применялся кварцевый песок, во втором - зола. Было показано, что при использовании золы достигается более однородная структура пор. Схожим с [14] образом была проанализирована геометрия пористой структуры, и было показано, что форма пор не оказывает влияния на прочность и плотность пенобетона. Определен средний размер пор и построены графики распределения пор по размерам; найдено среднее расстояние между порами, и показано, что с его увеличением возрастает как прочность, так и плотность пенобетона.

Вместе с тем, в этих и многих других работах данные, описывающие графики распределения пор и пузырьков по размерам, а также зависимости прочности, коэффициента теплопроводности, размера пор и др. характеристик от кажущейся плотности пенобетона, не аппроксимированы подходящими функциями. Наличие таких функций, при отлаженной методике производства, облегчает анализ взаимного влияния характеристик бетона друг на друга, упрощает оптимизацию процессов и управление технологией производства, позволяет прогнозировать свойства пенобетона, и в перспективе даст возможность производить пенобетон с заданными характеристиками.

В литературе пенобетон подразделяют на теплоизоляционный (плотность от 300 до 500 кг/м3), теплоизоляционно-конструкционный (плотность от 600 до 900 кг/м3) и конструкционный (плотность от 1000кг/м3 и выше). В преобладающем большинстве работ исследуется пенобетон с кажущейся плотностью (далее слово «кажущаяся» для краткости будем опускать) выше 1000 кг/м3. С другой стороны, основное применение этот материал, как уже отмечалось, получил в строительстве благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам, где более необходимыми являются изделия плотностью ниже 1000 кг/м3. В представленной работе особенное внимание уделено пенобетону плотностью в диапазоне 450-1000 кг/м3, хотя для общности анализа рассмотрен пенобетон плотностью до 1400 кг/м3.

В задачи исследования также входило определение оптимального режима генерирования пены в вихревом струйном аппарате посредством определения важных технологических параметров пены: кратность, стойкость, устойчивость.

Экспериментальная часть

Существует несколько методов производства пенобетона и большое разнообразие установок для осуществления этого процесса.

На кафедре оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ(ТУ) была разработана установка для генерирования пены (рисунок 1). Особенностью этой установки является отсутствие

необходимости в компрессоре [13] (благодаря эффекту вакуумирования в горловине ВСА), возможность разделения пены в сепараторе, выполненного в виде трубы с регулируемым углом наклона к горизонту, с рециклом раствора обратно в емкость для смешения [9].

Рисунок 1. Схема установки для генерирования пены с применением ВСА: 1 - емкость с раствором; 2 - насос; 3 - расходомер ЭРСВ; 4 - манометр; 5 - ВСА; 6 - сепарирующие устройство; 7 -

отводящая труба; 8 - разделяющее устройство (для защиты расходомера 10); 9 - вакуумметр; 10 - расходомер; 11 - аналого-цифровой преобразователь; 12 - компьютер

Методика генерирования пены заключалась в следующем: первоначально производилось заполнение емкости 1 раствором пенообразователя (использовался натуральный белковый пенообразователь «GreenFroth»). Насосом 2 раствор из емкости 1 подавался в тангенциальный патрубок вихревого струйного аппарата 5. Инжектируемый поток (воздух) всасывался через сопло вихревого струйного аппарата, разрежение регулировалось вентилем на линии всасывания. В камере смешения происходило объединение рабочего и инжектируемого потоков. Сепарирующим устройством 6 пена отделялась от раствора пенообразователя, и по отводящей трубе 7 поступала в сборочную емкость (на рисунке 1 не показана), а раствор пенообразователя через нижний патрубок сепарирующего устройства возвращался в емкость 1.

Рисунок 2. Схема вихревого струйного аппарата: 1 - сопло;

2 - конфузор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - тангенциальный патрубок.

Отличительной особенностью конструкции вихревого струйного аппарата (рисунок 2) является то, что рабочий поток подается в тангенциальный патрубок 5, а инжектируемый поток (в данном случае - воздух) всасывается через сопло 1. Рабочий поток, входя в конфузор 2 тангенциально, закручивается, создает начальную угловую скорость вращательного движения потока жидкости. Перемещаясь из цилиндрической зоны в сужающуюся область конфузора, примыкающую к горловине 3, рабочий поток ускоряется в соответствии с теоремой об изменении момента количества движения. Под действием центробежных сил рабочий поток отбрасывается к стенке аппарата, а в центральной его части образуется воздушный вихрь. В

горловине 3 происходит смешение потоков рабочей (раствор) и инжектируемой (воздух) среды, сопровождающееся некоторым повышением давления. Из горловины 3 поток поступает в диффузор 4, где происходит дальнейший рост давления. Таким образом, в данной конструкции струйного аппарата предусмотрено эффективное использование изменения кинетической энергии вращательного движения активной рабочей среды для увеличения создаваемого в нем разрежения. Отметим, что наряду с вращательной компонентой скорости поток обладает и осевой компонентой скорости движения и соответствующей кинетической энергией, которая характерна для обычных эжекторов. Наши количественные оценки показывают, что закрутка потока позволяет увеличить кинетическую энергию потока примерно в 25 раз.

После получения пены проводился ряд испытаний для определения оптимального режима генерирования: стойкость Сп - свойство пены длительное время сохранять свою структуру без разрушения, характеризуется величиной оседания столба пены в единицу времени, - как Сп = И2/И1, где 1"11 - высота столба отобранной в цилиндрическую емкость пены, мм; 1"12 - высота этого же столба пены по истечении одного часа, мм; кратность пены Кп, - величина, равная отношению объёмов пены и раствора, пошедшего на образование пены, Кп = Vп/Vр, где V,, - объем отобранной пены, л; V,, - объем раствора, затраченного на образование пены, л (численно равен массе отобранной пены в кг); устойчивость пены Уп определялась как время разрушения 50 % объема пены (или, иначе, время «полураспада» пены).

Основываясь на полученных экспериментальных данных, нами был выявлен оптимальный режим генерирования при данной геометрии ВСА: давление на входе в аппарат РМ = 1,5 атм, достигаемое разрежение в горловине Рв = - 30 кПа, расход пенообразующего раствора Qp = 1,25 м3/ч и расход инжектируемого воздуха QВ = 4,6 л/мин.

Изготовление образцов пенобетона производилось исходя из пропорций, рекомендованных заводом «Строй-бетон» при использовании пенообразователя «GreenFroth» (таблица 1).

Таблица 1. Рецептура производства пенобетона из пены.

Плотность пенобетона, кг/м3 500 600 800 1000

Песок (до 2мм, содержание глина не более 2 %), кг 1 2,1 4 5,6

Цемент марки М500, кг 3 3,1 3,2 3,5

Вода для приготовления раствора,л 1,5 1,6 1,6 1,8

Вода для приготовления пены, л 0,5 0,5 0,4 0,3

Объем пены,л 7,5 6,8 5,5 4,3

Для изготовления образцов в качестве вяжущего компонента применялся портландцемент марки М500, в качестве наполнителя - кварцевый песок с размером частиц 0,2^0,63 мм, водопроводная вода комнатной температуры (~20 °С), а также пена, полученная с помощью вихревого струйного аппарата.

Изначально проводилось смешивание цемента, песка и воды до однородной консистенции при помощи ручного строительного смесителя, зажатого в патрон электродрели, после чего в смесь добавлялось необходимое количество пены, и смесь вновь перемешивалась в течение 1^2 минут. Сырая пенобетонная масса заливалась в стандартные металлические формы размером 160х40х40 мм3 для последующего твердения.

По такой технологии было изготовлено несколько десятков образцов пенобетона различной кажущейся плотности: 450^1400 кг/м3.

Основные характеристики пенобетона - кажущаяся плотность, прочность на сжатие, коэффициент теплопроводности и др. - определялись на оборудовании Центра исследования материалов Высшей горной школы Алеса во Франции (Centre des Matériaux des Mines d'Alès, Ecole des Mines d'Alès).

Определение размеров пор в пенобетоне осуществлялось с помощью макрофотосъемки поверхности образцов и последующей обработкой фотографий в графическом редакторе Компас. Чтобы подготовить поверхность к съемке, производилось несколько поперечных разрезов первоначального образца так, чтобы его размеры становились равны 10х40х40 мм3, после чего поверхности передней и задней граней зачищалась и шлифовалась на шлифовальном столике.

Подготовленные образцы устанавливались на подставку, на штативе закреплялась фотокамера с макрообъективом и производилась съемка. Для получения достаточного объема данных каждый образец фотографировался с двух сторон. Размер пор (диаметр) определялся с помощью программы Компас (рисунок 3). Производилась выборка из ~700 значений размеров пор для каждого образца (по 350 значений с каждой стороны образца).

Рисунок 3. Макрофотография поверхности образца пенобетона (пример вы/борки по определению среднего размера пор -синие окружности; величина одного деления линейки 1 мм).

Для построения графика распределения пор по размерам применялись программные пакеты «Excel» и «Origin». Графические зависимости (рисунки 4-8) построены с помощью программы «CurveExpert». Наиболее подходящие функции, описывающие графики распределения размеров пор и корреляцию свойств пенобетона, подбирались по наименьшему значению стандартной ошибки и по наибольшему значению коэффициентов корреляции и детерминации. Рисунок 4.

Результаты и их обсуждение

Стойкость полученной с помощью ВСА пены была равна Сп = 0,85; кратность пены Кп = 50; устойчивость пены Уп « 7000 с.

Эти результаты говорят о том, что получаемая в ВСА пена имеет хорошее качество, в соответствии с [2], следовательно, он может эффективно использоваться в качестве пеногенератора для производства пенобетона.

Для того чтобы понять, как распределяются поры в объеме пенобетона, и какая доля приходится на мелкие и крупные поры, были построены графики распределения числа пор по размерам (рисунок 4):

rs 14 Дп

f(d)=^ ' (1)

где d - средний диаметр пор в заданном интервале, мм; n -количество пор в заданном интервале.

f ■

* у.. ■

- V*

• - V -

•*■.....* Л ■ ■ f ' ■ I

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Pore size, mm

Рисунок 4. Дифференциальная функция распределение числа пор по размерам в пенобетоне с различной кажущейся плотностью: ■ - 500 кг/м3; • - 600 кг/м3; ▲ - 800 кг/м3; * -1000 кг/м3.

Установлено, что для всех образцов в интервале плотностей 500^1000 кг/м3 графики распределения пор по размерам подчиняются логнормальному закону распределения.

В таблице 2 приведены основные характеристики распределений размеров пор в пенобетоне, на основе которых можно сделать вывод о том, что уменьшение кажущейся плотности пенобетона связано с увеличением среднего диаметра пор (см. также рисунок 5).

Таблица 2. Значения среднего размера и моды распределения

Плотность образца пенобетона, кг/м3 Средний размер пор, мм (выборка из ~700 значений) Мода распределения размеров пор, мм

500 0.57 0.56

600 0.46 0.33

800 0.39 0.23

1000 0.34 0.23

Pore size (diameter), mm

Рисунок 5. Зависимость кажущейся плотности пенобетона от среднего диаметра пор: S - стандартная ошибка; r - коэффициент корреляции.

Аналогичный результат получен Хилалом с соавторами [14]. Зависимость кажущейся плотности пенобетона, полученного с применением ВСА, от среднего диаметра пор можно описать линейным уравнением:

р = а + bd , (2)

где р - кажущаяся плотность пенобетона, кг/м3; d - средний диаметр пор, мм; a, b - константы (для рассмотренных данных: a = 1,752; b = -2,284).

Одна из важнейших характеристик пенобетона -коэффициент теплопроводности - напрямую зависит от структуры (пористость и размер пор) и кажущейся плотности материала. Коэффициент теплопроводности должен увеличиваться, по мере увеличения кажущейся плотности пенобетона, и уменьшаться, по мере увеличения среднего диаметра пор, что и демонстрируют рисунки 6 и 7. Зависимость коэффициента теплопроводности Л от кажущейся плотности р пенобетона (рисунок 6) и зависимость коэффициента теплопроводности Л от среднего диаметра пор d (рисунок 7) лучше всего описываются следующими уравнениями:

(3)

Я = Cl fP ,

Я = c2f2a

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(4)

где Л - коэффициент теплопроводности, Вт/м К; р -кажущаяся плотность пенобетона, кг/м3; с1 - средний диаметр пор, мм; а,2, 1,2 - константы (с = 3,62410-2; А = 1,002; с2 = 1,246; а2 = 8,95110-3).

Повышение кажущейся плотности связано с уменьшением среднего диаметра пор, что в свою очередь, ведет к увеличению прочности на сжатие (рисунок 8), так как увеличивается толщина стенки между порами, уменьшается пористость. Зависимость прочности на сжатие от кажущейся плотности пенобетона можно описать следующим уравнением:

а = Ьркр , (5)

где о - прочность на сжатие, МПа; р - кажущаяся плотность пенобетона, кг/м3; И, к - константы (для рассмотренных данных: И = 0,245; к = 3,98-Ю-4).

S = 0.01827868 г = 0.99628496

*

Е

>

1 и*

i

а> .с

I-

„9°............

500.0 750.0 1000.0 1250.0 1500.0

Apparent density, kg/m3

Рисунок 6. Зависимость коэффициента теплопроводности пенобетона от кажущейся плотности S - стандартная ошибка; r - коэффициент корреляции.

S = 0.02132486 r = 0.99494014

Pore size (diameter), mm

Рисунок 7. Зависимость коэффициента теплопроводности пенобетона от среднего диаметра пор S - стандартная ошибка; r -коэффициент корреляции.

Рисунок 8. Зависимость прочности на сжатие от кажущейся плотности пенобетона Б - стандартная ошибка; г - коэффициент корреляции.

Значения прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности полученного при помощи ВСА пенобетона полностью удовлетворяют значениям, предъявляемым «ГОСТ 25485-89. Бетоны ячеистые. Технические условия». Важным практическим преимуществом является тот факт, что для генерирования пены не требуется компрессор, что позволяет снизить себестоимость производства и создавать мобильные установки для получения пенобетона, например, для коттеджного строительства.

Выводы

Исследован вихревой струйный аппарат в качестве генератора пены для производства пенобетона. Определен оптимальный режим генерирования пены. Для образцов плотностью 500, 600, 800 и 1000 кг/м3 определен средний размер (диаметр) пор, построены графики распределения пор по размерам и найдены аппроксимирующие их функции. Выяснилось, что размеры пор подчиняются логнормальному закону распределения. Средний размер пор, в зависимости от кажущейся плотности, варьировался в пределах от 0,34 до 0,57 мм. Установлена взаимосвязь между размером пор и основными характеристиками пенобетона: уменьшение среднего

диаметра пор приводит к снижению кажущейся плотности, к увеличению прочности и коэффициента теплопроводности. Значения прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности, в зависимости от кажущейся плотности пенобетона, полностью удовлетворяют значениям, предъявляемым «ГОСТ 25485-89. Бетоны ячеистые. Технические условия».

На основании полученных данных показано, что вихревой струйный аппарат может эффективно использоваться в качестве пеногенератора для производства пенобетона с заданными физическими и структурными характеристиками.

Литература

1. Рязанов А. В. Пенобетон и его производство // Строительная альтернатива. 2002. № 1. С. 16-22.

2. ПортикА.А. Все о пенобетоне. СПб.: ООО «СТРОЙ-БЕТОН», 2003. 224 с.

3. Прошин А.П., Береговой В.А., Краснощеков А.А, Береговой А.М. Пенобетон (состав, свойства, применение) Пенза: Изд-во ПГУАС, 2003. 162 с.

4. Amran Y.H.M., Farzadnia N, Ai A.A.A.Properties and applications of foamed concrete: a review // Construction and Building Materials. 2015. V. 101. P. 990-1005.

5. Jones M.RMcCarthy A. Behaviour and Assessment of Foamed Concrete for Construction Applications // Use of Foamed Concrete in Construction: Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 5 July 2005, P. 6188.

6. Panesar D.K. Cellular concrete properties and the effect of synthetic and protein foaming agents // Construction and Building Materials. 2013. V. 44. P. 575-584.

7. Drenckhan W, Saint-Jalmes A. The science of foaming // Advances in Colloid and Interface Science. 2015. V. 222. P. 228259.

8. Wee T.H., Babu D.S., Tamilselvan T, Lim H.S. Air-void system of foamed concrete and its effect on mechanical properties // ACI Materials Journal. 2006. V. 103. P. 45-52.

9. Абиев Р.Ш.Устройство для генерирования пены: пат. 2297260 Рос Федерация. № 2005130836/12; заявл.04.10.2005; опубл. 20.04.2007. Б.И. 11, 2007.

10. Абиев Р.Ш., Берегова Е.М., Шувалов А.Е. Исследование вихревого струйного аппарата в качестве генератора пены // Проблемы управления рисками в техносфере. 2009. № 4(12). С. 46-56.

11. Абиев Р.Ш., Шувалов А.Е, Сасова Я.В. Исследование вихревого струйного аппарата // Тез. докл. междунар. конф. «Мат. методы в технике и технологии», Т. 5, Ярославль: ЯГТУ, 2007. С. 122.

12. Абиев Р.Ш., Некрасов В.А., Панова Д.Д. Использование вихревого струйного аппарата в качестве пеногенератора в производстве пенобетона // Известия СПбГТИ(ТУ). 2012. № 14(40). С. 67-70.

13. Абиев Р.Ш., Васильев М.П., Доильницын В.А. Исследование процесса вакуумной дегазации воды при помощи вихревого струйного аппарата // Известия СПбГТИ(ТУ). 2015. № 28(54). С. 64-69.

14. Hilal A.A., Thom N.H., Dawson A.R. On entrained pore size distribution of foamed concrete // Construction and Building Materials. 2015. V. 75. P. 227-233.

15. Nambiar E, Ramamurthy K Air-void characterization of foam concrete // Cement Concrete Research. 2007. V. 37. P. 221-230.

References

1. Rjazanov A.V.Penobeton i ego proizvodstvo // Stroitel'naja al'ternativa. 2002. № 1. S. 16-22.

2. Portik A.A. Vse o penobetone. SPb.: OOO «STROJ-BETON», 2003. 224 s.

3. Proshin A.P, Beregovoj V.A, Krasnoshhekov A.A, Beregovoj A.M. Penobeton (sostav, svojstva, primenenie) Penza: Izd-vo PGUAS, 2003. 162 s.

4. Amran Y.H.M, Farzadnia N., Ai A.A.A.Properties and applications of foamed concrete: a review // Construction and Building Materials. 2015. V. 101. P. 990-1005.

5. Jones M.R., McCarthy A. Behaviour and Assessment of Foamed Concrete for Construction Applications // Use of Foamed Concrete in Construction: Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 5 July 2005, P. 6188.

6. Panesar D.K. Cellular concrete properties and the effect of synthetic and protein foaming agents // Construction and Building Materials. 2013. V. 44. P. 575-584.

7. Drenckhan W, Saint-Jalmes A. The science of foaming // Advances in Colloid and Interface Science. 2015. V. 222. P. 228259.

8. Wee T.H., Babu D.S., Tamilselvan T, Lim H.S. Air-void system of foamed concrete and its effect on mechanical properties // ACI Materials Journal. 2006. V. 103. P. 45-52.

9. Abiev R.Sh. Ustrojstvo dlja generirovanija peny: pat. 2297260 Ros Federacija. № 2005130836/12; zajavl.04.10.2005; opubl. 20.04.2007. B.I. 11, 2007.

10. Abiev R.Sh., Beregova E.M., Shuvalov A.E. Issledovanie vihrevogo strujnogo apparata v kachestve generatora peny //

Problemy upravlenija riskami v tehnosfere. 2009. № 4(12). S. 4656.

11. Abiev R.Shi, Shiuvaiov A.E., Sasova Ja.V. Issledovanie vihrevogo strujnogo apparata // Tez. dokl. mezhdunar. konf. «Mat. metody v tehnike i tehnologii», T. 5, Jaroslavl': JaGTU, 2007. S. 122.

12. Abiev R.Sh., Nekrasov V.A., Panova D.D. Ispol'zovanie vihrevogo strujnogo apparata v kachestve penogeneratora v proizvodstve penobetona // Izvestija SPbGTI(TU). 2012. № 14(40). S. 67-70.

13. Abiev R.Sh., Vasil'ev M.P., Doil'nccyn V.A. Issledovanie processa vakuumnoj degazacii vody pri pomoshhi vihrevogo strujnogo apparata // Izvestija SPbGTI(Tu). 2015. № 28(54). S. 64-69.

14. Hilal A.A., Thom N.H., Dawson A.R. On entrained pore size distribution of foamed concrete // Construction and Building Materials. 2015. V. 75. P. 227-233.

15. Nambiar E, Ramamurthy K. Air-void characterization of foam concrete // Cement Concrete Research. 2007. V. 37. P. 221-230.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.