CC BY
54УДК 666.973.6
С.А. АНТИПИНА1, канд. техн. наук; С.В. ЗМАНОВСКИЙ2, канд. техн. наук, директор
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30)
2 Филиал «Центр Инноваций» OOO «СУАЛ-ПМ» (666034, Иркутская обл., г. Шелехов, ул. Южная, 2)
Исследование влияния порошкового и гранулированного алюминиевого газообразователя на свойства ячеистого бетона
Исследованы фазовый состав и свойства ячеистого бетона, полученного при использовании порошкового и гранулированного газообразователя на основе алюминиевой пудры марок RA20-RA60. Гранулированный алюминиевый газообразователь имеет высокое содержание активного алюминия 88-90%. Гранулы обладают низкой степенью пыления и задержкой газовыделения на первых минутах в сравнении с порошковым газообразователем. Ячеистый бетон, полученный с использованием гранул алюминиевой пудры, имеет повышенные значения предела прочности при сжатии на 6-10%.
Ключевые слова: ячеистый бетон, алюминиевая пудра, гранулированный газообразователь.
S.A. ANTIPINA1, Candidate of Sciences (Engineering); S.V. ZMANOVSKIY2, Candidate of Sciences (Engineering), Director
1 National Research Tomsk Polytechnic University (30, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation)
2 Branch «Innovation Center» OOO «SUAL-PM» (2, Yuzhnaya Street, Shelekhov, 666034, Irkutsk region, Russian Federation)
Research in Influence of Powder and Granular Aluminum Gas-Forming Agent on Properties of Cellular Concrete
The phase composition and properties of cellular concrete produced with the use of a powder and granular gas-forming agent on the basis of aluminum powder of RA20-RA60 brands has been studied. The granular aluminum gas-forming agent has a high content of active aluminum, 88-90%. Granules possess a low degree of dusting and delay of gas emission in the first minutes in comparison with a powder gas-forming agent. Cellular concrete, produced with the use of granules of aluminum powder, has elevated, by 6-10% values of compressive strength.
Keywords: cellular concrete, aluminum powder, granular gas-forming agent.
Основным потребителем алюминиевой пудры является строительная промышленность, которая использует ее как газообразующее вещество для изготовления ячеистых бетонов [1, 2].
При производстве ячеистого бетона (ЯБ) на стадии приготовления алюминиевой суспензии возникает проблема пыления алюминиевой пудры. Алюминиевая пудра образует в воздухе взвесь, опасную для организма человека, а при концентрации выше нижнего концен-
трационного предела (не менее 40 взрывоопасна (температура воспламенения аэрозоля (взвесь в воздухе) 540оС, аэрогеля (насыпью) 320оС согласно ГОСТ 5494—95 «Алюминиевая пудра. Технические условия»).
Для снижения пыления пудры применяются алюминиевые пасты [3, 4] — смесь измельченных частиц алюминия и специальных добавок, обеспечивающих связанность частиц. При этом производители алюминиевых паст добавляют до 35% сольвента для снижения степени пы-ления при ее использовании. Сольвент не участвует в газообразовании и является балластом, что способствует увеличению расхода газообразователя при производстве ЯБ.
Для решения проблем, связанных с пылением и стабилизацией свойств алюминиевого газообразователя, интерес представляет полная или частичная их замена на гранулированный газообразователь.
На предприятии ООО «СУАЛ-ПМ» (г. Шелехов) в настоящее время налаживается выпуск гранулированно-
г/м3) пожаро- и
го газообразователя на основе гидрофильной алюминиевой пудры марок RA20—RA60.
Целью данной работы являлось исследование влияния газообразователя алюминиевой пудры марок RA20—RA60 (P-RA) и гранул алюминиевой пудры на ее основе (G-RA) на фазовый состав, структуру и свойства ячеистого бетона (ЯБ).
Характеристики порошкового и гранулированного алюминиевого газообразователя. Качество алюминиевой пудры и гранул на ее основе характеризуется двумя
Рис. 1. Внешний вид и микроструктура алюминиевой пудры (а, б) и гранул на ее основе (в, г)
научно-технический и производственный журнал
90 80
I 70
TO
60
0
II 50
1 40 g:
Ё 30
Ф
r^
VO
о 20 10 0
Таблица 1
0 2 4 6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 Время, мин
Рис. 2. Кинетика газообразования алюминиевой пудры и гранул на ее основе в растворе гидроксида кальция (2,5 мас. %)
Марка алюминиевого газообразователя Содержание активного алюминия, % Удельная поверхность, см2/г Насыпная плотность, кг/м3
P-RA20 95 7250 170
P-RA30 96 5425 165
P-RA40 97 4050 135
P-RA50 98 4040 130
P-RA60 98 3675 110
G-RA20 88 - 365
G-RA30 88 - 360
G-RA40 89 - 290
G-RA50 89 - 280
G-RA60 90 - 270
ШПЦ
Известь
Вода 50-60оС
£ I
Дозатор^ ^Дозатор. + ;
4
Дозатор1^
t
Гранулы
\ ' _Вода|
Смеситель
1
Дозатор
^V3
Смеситель
Газобетоносмеситель
Ci. О О СО~
Разливка в формы
\
Выдержка 24 ч
1
Распалубка
Пропаривание 1,5-6-2 ч
Хранение и отгрузка готовой продукции
Рис. 3. Технологическая схема изготовления ячеистого бетона с использованием гранул алюминиевой пудры марок RA20-RA60
1,6 1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
RA20
RA30 RA40 RA50
Марка алюминиевой пудры
RA60
Рис. 4. Зависимость предела прочности при сжатии образцов ячеистого бетона от вида газообразователя
основными параметрами: содержанием металлического алюминия и величиной удельной поверхности. Исследование свойств Р-КЛ20—60 и G-RA20—60 проводилось согласно стандартным методам испытаний: содержание активного алюминия определялось волю-метрическим методом по объему выделившегося водорода при смешении алюминиевой пудры (гранул) с 5 мас. % водного раствора гидроксида натрия; удельная поверхность исследовалась адсорбционным методом по БЭТ (для Р-КЛ); среднеповерхностный размер частиц для Р-КЛ измерялся при помощи лазерного дифракционного микроанализатора размера частиц Лпа^еИе 22. Характеристики алюминиевой пудры марок КЛ20—КЛ60 и гранул на ее основе приведены в табл. 1. Как пудра, так и гранулы на ее основе имеют хорошую смачиваемость водой.
Анализ приведенных данных показывает, что содержание активного металлического алюминия в пудре достигает 98 мас. %, а у гранул на ее основе — 88—90 мас. %, что составляет снижение активного металла в гранулах на 8%. Алюминиевая пудра представляет собой продукт с удельной поверхностью до 7250 см2/г с высокой степенью пыления и низкой насыпной плотностью 110—170 кг/м3. Гранулы на основе алюминиевой пудры имеют цилиндрическую форму размером 5—8 мм с плотной упаковкой алюминиевых частиц между собой, что исключает пыление при ее использовании с насыпной плотностью до 270—365 кг/м3.
Микроструктура частиц алюминиевой пудры марок КЛ и гранул на ее основе исследовалась на растровом электронном микроскопе фирмы Jеol JSM 6500 F, внешний вид и структура пудры и гранул приведены на рис. 1.
Средняя толщина пластинчатых частиц алюминиевой пудры составляет 0,25 мкм, минимальный диаметр частиц ~20 мкм (КЛ20), максимальный — 60 мкм (КЛ60). Микроструктура частиц алюминиевой пудры марок КЛ30, КЛ40 и КЛ50 аналогична частицам, приведенным на рис. 1, б. Для них размер частиц составляет соответственно 30, 40 и 50 мкм по данным электронной микроскопии.
Алюминиевую пудру используют в качестве газо-образователя при получении ячеистой структуры, которая формируется в результате протекания химической реакции между алюминиевой пудрой и водным раствором гидроксида кальция с выделением водорода (1) [5]:
2Al+Ca(OН)2+8H2O^CaO•Al2O3•6H2O+3H2t+Q. (1)
Данная технологическая стадия, особенно при неавтоклавном производстве, является очень важной, предопределяющей формирование равномерной пори-
научно-технический и производственный журнал
апрель 2016 89
Таблица 2
Условные обозначения образцов газобетона Расход сырьевых компонентов на 1 м3
Шлако-портландцемент, кг Оксид кальция, кг Алюминиевая пудра/гранулы, кг Вода, л
Р-ЯА/О-ЯА 0,117 0,01172 0,00013 0,08125
Примечание. Р-ЯА - образцы ЯБ с использованием алюминиевой пудры; О-ЯА - образцы ЯБ с использованием гранул алюминиевой пудры. Массовое содержание алюминиевой пудры и гранул одинаково без пересчета на равное содержание активного алюминия.
Условные обозначения образцов ячеистого бетона Объемная плотность, кг/м3 Водопогло-щение, мас. % Открытая пористость, %
Р-ЯА20 505 43 22
ая т еа Р-ЯА30 505 44 22
ни ра н % Р-ЯА40 505 45 23
Р-ЯА50 505 47 24
Р-ЯА60 500 48 24
е ы ё 3 0-ЯА20 506 41 21
0-ЯА30 505 43 22
п 0-ЯА40 505 47 24
мр л А 0-ЯА50 506 48 25
0-ЯА60 506 48 24
7000
6000
§ 5000 а
£ 4000
0
1 3000
I
Л 2000 1000 0
30 40 29
Таблица 3
Рис. 5. Рентгенограмма ячеистого бетона на основе шлакопортланд-цемента и извести после пропаривания с использованием пудры и гранул марки RA40: А - С3АН6; ■ - CSH(I); О - СвН(11); □ - Са(ОН)2; • - эттрингит
120 100 80 ^ 60 40 20 0
0,5
в^А40 0 P-RA40
Т=459оС
100 200 300 400 500 600 700 800 900 Температура, оС
Рис. 6. Кривые дифференциально-термического анализа (ДТА) и потерь массы (ТГ) образцов ячеистого бетона с использованием алюминиевой пудры (Р-ЯА40) и гранул на ее основе (вР-ЯА40)
0
стой структуры, т. е. одной из основных функциональных характеристик теплоизоляционных материалов. Пористость ячеистых бетонов зависит главным образом от условий кинетики газообразования в смеси, чтобы наиболее интенсивный процесс газообразования совпадал по времени с набором структурной прочности ячеи-сто-бетонных масс.
Кинетика газообразования алюминиевой пудры и гранул на ее основе определялась по стандартной методике при реакции 0,07 г пудры (гранул) с раствором гидроксида кальция 2,5 мас. %. Объем выделившегося водорода (см3) замерялся каждые 2 мин. Кинетика газообразования для алюминиевой пудры и гранул на ее основе в 2,5 мас. % растворе Са(ОН)2 приведена на рис. 2.
Анализ графических зависимостей показывает, что скорость выделения водорода для гранул алюминиевой пудры меньше по сравнению с исходной алюминиевой пудрой в первые минуты протекания реакции. Затем скорость увеличивается и становится соизмеримой с исходной пудрой. Основная реакция газообразования гранул в растворе гидроксида кальция протекает за 16 мин, дальнейшее увеличение объема газа не превышает 1,5%.
Анализ проведенных исследований показывает, что по своим свойствам алюминиевые гранулы отвечают требованиям к газообразователю для производства ЯБ — высокие показатели содержания активного алюминия и кинетикиа газовыделения из известкового раствора. Достоинством гранул является их значительно низкая степень пыления и задержка газовыделения на первых минутах в сравнении с порошковым газообразователем.
Приготовление ячеистого бетона. Для изготовления ячеистого бетона марки 500 использовались шлако-портландцемент (ШПЦ) марки ЦЕМ 11/А Ш 32,5Б,
воздушная известь 1-го сорта и газообразователь (P-RA и G-RA).
Навеска ШПЦ смешивалась с СаО в количестве 10% от массы цемента, затворялась заданным количеством воды (В/Т=0,65), затем добавлялась заранее приготовленная алюминиевая суспензия.
Алюминиевая суспензия готовилась при смешении пудры с водой до полного смачивания частиц алюминиевой пудры, а гранулы распускались в воде при интенсивном перемешивании в установке миксерного типа в течение 3 мин. Расход сырьевых компонентов рассчитывался по методике, основанной на законе объемного фазового состава [6], состав ячеистого бетона приведен в табл. 2.
Смесь тщательно перемешивалась до однородной массы и заливалась в заранее прогретые металлические формы размером 7x7x7 см при достижении температуры внутри массива 80—85оС [7, 8]. Образцы выдерживались в течение 24 ч, расформовывались и пропаривались при температуре 90оС по стандартному режиму 1,5—6—2 ч (нагрев — выдержка — охлаждение). Технологическая схема изготовления образцов ЯБ с использованием G-RA приведена на рис. 3. Использование гранул позволяет отказаться от дополнительной стадии введения ПАВ для приготовления суспензии.
Определение свойств готовых образцов ячеистого бетона. Образцы ячеистого бетона после тепловлажност-ной обработки подвергались испытаниям на основные строительно-технические свойства, результаты которых приведены в табл. 3.
Результаты проведенных исследований показывают, что предел прочности при сжатии образцов ячеистого бетона при использовании гранул алюминиевой пудры выше, чем при использовании пудры, на 6—10% (рис. 4). Это может быть достигнуто за счет равномерного распределения частиц гранулированного газообразователя
научно-технический и производственный журнал
по ячеистому массиву, способствующему образованию равномерной мелкопористой структуры. Порошковый газообразователь в ячеистом массиве может распределяться в виде «дорожки» или всплывать на поверхность ячесито-бетонного массива, что приводит к некоторой дефектности структуры ячеистого бетона. Связка, которая является клеящим веществом алюминиевых частиц в гранулах, также может способствовать склеиванию гидратированных частиц цемента в ячеистом бетоне. Водопоглощение и открытая пористость образцов ячеистого бетона практически не меняются в зависимости от вида газообразователя.
Для исследования фазового состава образцов ЯБ с использованием P-RA и G-RA использовался рентгено-фазовый анализ, который проводился при помощи дифрактометра ДРОН-3. Рентгенограммы образцов ЯБ с использованием P-RA и G-RA с плотностью 500 кг/м3 приведены на рис. 5.
По данным рентгенофазового анализа пропаренных образцов ЯБ с плотностью 500 кг/м3 с использованием порошкового и гранулированного газообразователя установлено наличие гидроалюминатов кальция C3AH6, низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(I), CSH(II). Кроме того, в составе новообразований содержится эттрингит и Са(ОН)2. Интенсивность основных пиков у образцов ЯБ с использованием гранул более высокая, что связано с образованием большего количества гидратных соединений большей степени кристалличности.
Дифференциально-термический анализ образцов ячеистого бетона с использованием гранул RA показывает наличие трех эндоэффектов (рис. 6). Первый эндотермический эффект при температуре 100оС соответствует удалению адсорбционно-связанной воды. Вто-
Список литературы
1. Pehlivanli Z.O., Uzun I., Demir I. Mechanical and microstructural features of autoclaved aerated concrete reinforced with autoclaved polypropylene, carbon, basalt and glass fiber // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 96, pp. 428-433.
2. Sanjayan J.G., Nazari A., Chen L., Nguyen G.H. Physical and mechanical properties of lightweight aerated geopolymer // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 79, pp. 236-244.
3. Семериков И.С., Вишневский А.А., Запольская А.А. Сравнительная оценка новых газообразователей для производства автоклавного газобетона // Строительные материалы. 2010. № 1. С. 47-49.
4. Прохоров С.Б. Специализированные газообразова-тели для ячеистых бетонов автоклавного твердения // Строительные материалы. 2011. № 9. С. 48.
5. Пшеничный Г.Н. Стадийность твердения цемента: теоретический и практический аспекты. Германия: LAP Lambert Academic Publishing, 2012. 388 с.
6. Лотов В.А. Изменение фазового состава в системе цемент-вода при гидратации и твердении // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321. № 3. С. 42-45.
7. Дворкин Л., Дворкин О. Специальные бетоны. М.: Инфра-Инженерия. 2012. 368 с.
8. Abdulkareem O.A., Mustafa Al Bakri, Kamarudin A.M., Khairul Nizar H., Saif A.A. Effects of elevated temperatures on the thermal behavior and mechanical performance of fly ash geopolymer paste, mortar and lightweight concrete // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 50, pp. 377-387.
рой эндотермический эффект наблюдается при температурах 440-475оС с максимумом 459оС, указывает на разложение Ca(OH)2, а эндотермический эффект в интервале температуры 643-710оС с максимумом 677оС характеризует процесс дегидратации гидросиликатов кальция тоберморитовой группы CSH(I), СSH(II).
Таким образом, были получены и исследованы образцы ячеистого бетона марки 500 с использованием алюминиевой пудры (Р-RA) и гранул на ее основе (GP-RA) в качестве газообразователя. Содержание активного алюминия в порошковом газообразователе 95-98%, в гранулах 88-90%. Алюминиевая пудра и гранулы обеспечивают высокую кинетику газовыделения с протеканием основной реакции за 16 мин. Полученные образцы ячеистого бетона с использованием порошкового газообразователя и гранул отвечают требованиям ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия» по соответствию объемной плотности и предела прочности при сжатии. Ячеистый бетон с использованием гранулированного газообразователя не уступает по свойствам ячеистому бетону, полученному на порошковом газообразователе, а в некоторых случаях наблюдается улучшение свойств по прочностным характеристикам.
Использование гранулированного газообразовате-ля в технологии ячеистого бетона является новой, инновационной разработкой, способствующей устранению таких важных вредных показателей, как пыление RA и введение дополнительно ПАВ при использовании порошкового газообразователя типа ПАП-1 и ПАП-2.
При использовании гранулированных газообразова-телей увеличивается прочность на сжатие готового бетона на 6-10%.
References
1. Pehlivanli Z.O., Uzun I., Demir I. Mechanical and microstructural features of autoclaved aerated concrete reinforced with autoclaved polypropylene, carbon, basalt and glass fiber. Construction and Building Materials. 2015. Vol. 96, pp. 428-433
2. Sanjayan J.G., Nazari A., Chen L., Nguyen G.H. Physical and mechanical properties of lightweight aerated geopolymer. Construction and Building Materials. 2015. Vol. 79, pp. 236-244.
3. Semerikov I.S., Vishnevskiy A.A., Zapol'skaya A.A. Comparative assessment of new gas developing agents for manufacture of autoclave gas concrete. Stroitel'-nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 1, pp. 47-49. (In Russian).
4. Prokhorov S.B. Specialized blowing for cellular concrete autoclaved. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 9, p. 48. (In Russian).
5. Pshenichnyi G.N. Stadiinost' tverdeniya tsementa: teo-reticheskiy i prakticheskiy aspekty [Stages of cement hardening: theoretical and practical aspects]. Germany: LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 388 p.
6. Lotov V.A. Changing the phase composition of cement-water during hydration and hardening. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2012. Vol. 321. No. 3, pp. 42-45. (In Russian).
7. Dvorkin L., Dvorkin O. Spetsial'nye betony [Special concrete]. Moscow: Infra-Inzheneriya. 2012. 368 p.
8. Abdulkareem O.A., Mustafa Al Bakri, Kamarudin A.M., Khairul Nizar H., Saif A.A. Effects of elevated temperatures on the thermal behavior and mechanical performance of fly ash geopolymer paste, mortar and lightweight concrete. Construction and Building Materials. 2014. Vol. 50, pp. 377-387.
r'j научно-технический и производственный журнал
i'-il ® апрель 2016
