CC BY
46
УДК 691.327.333
КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kudyakow@tsuab. ru
КОПАНИЦА НАТАЛЬЯ ОЛЕГОВНА, докт. техн. наук, доцент, kopanitsa@mail. ru
ПРИЩЕПА ИНГА АЛЕКСАНДРОВНА, ст. преподаватель, ingaprishepa@mail. ru
ШАНЬГИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ, студент, [email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПЕНОБЕТОНЫ С ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ТОРФЯНОЙ ДОБАВКОЙ
Приведены результаты исследований конструкционно-теплоизоляционного цементного пенобетона с термомодифицированной торфяной добавкой. При введении в пенобетонную смесь термомодифицированной добавки в количестве б % от массы цемента повышается прочность пенобетона в 28-суточном возрасте на 35-43 % и уменьшается теплопроводность до 0,09 Вт/(м-°С).
Ключевые слова: конструкционно-теплоизоляционный пенобетон; термомодифицированная торфяная добавка; структурообразование; пористость; теплопроводность; прочность при сжатии; средняя плотность; морозостойкость.
KUDYAKOW, ALEKSANDER NIKOLAYEVICH, Prof Dr. Tech. Sc., kudyakow@tsuab. ru
KOPANITSA, NATALIA OLEGOVNA, Dr. Tech. Sc., Assoc. Prof., kopanitsa@mail. ru
PRISHEPA, INGA ALEKSANDROVNA, lecturer, ingaprishepa@mail. ru
SHANGIN, SERGEY NIKOLAYEVICH, student, [email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
CONSTRUCTIONAL AND HEAT-INSULATING FOAM CONCRETES WITH THE THERMOMODIFIED PEAT ADDITIVE
The results of researches of constructional and heat-insulating cement foam concrete with the thermally-modified peat additive are given in the article. At injecting the thermally-modified additive (б % from cement’s mass) into a foam-concrete mix, the resistance of foam concrete increases to 35-43 % and a heat conductivity decreases to 0,09 W (m-°C) in 28 days.
Key words: constructional and heat-insulating foam concrete; thermally-modified additive; structure formation; porosity; heat conductivity; compressive strength; the average density mass; frost resistance.
© А.И. Кудяков, Н.О. Копаница, И.А. Прищепа, С.Н. Шаньгин, 2013
Россия обладает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, превышая по энергоемкости ВВП уровень ведущих стран в 2-4 раза. Потенциал повышения энергоэффективности в секторе конечных потребителей существенно выше, чем в производстве энергии. Повысить конкурентную способность российской строительной продукции можно путем разработки и внедрения различных механизмов энергосбережения, включая и снижение энергоемкости, на стадии ее изготовления и эксплуатации. Экономия 1 кВтч энергии конечным потребителем снижает почти 5 кВтч первичных энергоресурсов [1]. Жилищный сектор в экономике России занимает второе место по энергоемкости. Энергоемкость систем отопления жилых зданий в России выше уровня энергоемкости жилых зданий северной зоны Европы на 61-76 %.
Основными потребителями энергии в строительстве являются производство строительных материалов и обслуживающий сектор построенных зданий и сооружений в течение всего срока их эксплуатации. В России на отопление жилых домов в настоящее время расходуется 350-800 кВт^ч/м2 в год, а расход условного топлива составляет 74 кг/м2. Чтобы снизить энергозатраты через ограждающие конструкции, необходимо повысить их теплозащитные характеристики, используя эффективные теплоизоляционные материалы. В качестве теплоизоляционных материалов чаще всего применяются минераловатные, стекловатные и пенополистирольные теплоизоляционные плиты. Сырьевые ресурсы для изготовления вышеперечисленных теплоизоляционных изделий располагаются по регионам России крайне неравномерно, а в некоторых регионах их вообще нет, например в Томской области. Поэтому приходится возить «воздух» в теплоизоляционных изделиях на большие расстояния. Кроме того, плиты из указанных теплоизоляционных материалов обладают долговечностью всего 20-25 лет, т. е. в 2-5 раз меньше, чем применяемые в ограждающих конструкциях кирпич, цементный бетон, древесина и др. Кроме того, в этих плитах используются органические материалы, в том числе токсичные. Например, в качестве связки в минераловатных плитах используется фенолформальдегидная смола.
В концепции стратегического развития России до 2020 г. президент Российской Федерации В.В. Путин в качестве приоритетных направлений назвал строительство доступного и здорового жилья. По европейским нормам, доступным называют жилье, стоимость одного квадратного метра которого равна месячной зарплате человека в государстве, т. е. 26 тыс. руб.
К материалам для ограждающих конструкций, удовлетворяющим названным требованиям, относится цементный пенобетон. Пенобетон представляет собой композиционный цементный материал с равномерно распределенными закрытыми порами. Поры пенобетона образуются путем механического смешивания пены и цементно-песчаной смеси. Пенобетон обладает хорошими теплотехническими свойствами, достаточной для стеновых конструкций прочностью, долговечностью и небольшой стоимостью. Использование неавтоклавного пенобетона в строительстве, особенно малоэтажном, позволяет существенно уменьшить энергоемкость объектов строительства и капиталовложения при организации производства.
С целью повышения конкурентной способности пенобетона, т. е. улучшения его качества и стоимости, необходимо на стадии выбора исходного сырья, приготовления сырьевой смеси и формования изделий стремиться при обеспечении требуемой прочности на сжатие максимально насыщать цементно-песчаную матрицу пузырьками воздуха. Это возможно путем создания пены с размерами пузырьков, обеспечивающих плотную упаковку, или насыщение цементнопесчаных перегородок микропорами при одновременном повышении прочности цементного камня. Эту задачу можно решить путем введения в цементную матрицу пористых активных минеральных добавок, например микрокремнезема [2] или термомодифицированного торфа [3]. Проведенными исследованиями было установлено, что, зная химический, минералогический и групповой состав торфа, можно инициировать его уникальные структурообразующие возможности как клеящей составляющей, порообразующей матрицы, а в нашем случае после тепловой обработки как пластифицирующей и гидрофобной добавки, ускоряющей твердение цементных композиций [3, 4].
Чем больше пор и, соответственно, тоньше межпоровые стенки цементного камня, тем меньше средняя плотность и, соответственно, прочность пори-зованного материала. Однако размер, форма и равномерность распределения пор также оказывают большое влияние на теплопроводность и прочность готового пенобетона. Метод повышения прочности материала путем уменьшения размеров пор и их равномерного распределения является перспективным.
Цель работы - исследование параметров качества конструкционнотеплоизоляционного пенобетона с термомодифицированными торфяными добавками.
При проведении исследований использовался портландцемент Топкин-ского завода М500 (ГОСТ 10178-85), песок кварцевый с Мкр-1,44 (ГОСТ 8736-93), пенообразователь Бенотех ПБ-С (ГОСТ 24211-2003), ускоряющая твердение, пластифицирующая и гидрофобизирующая добавки -термомодифицированный торф ТМТ 600 и ТМТ 800. Для получения термомодифицированных добавок использовался низинный торф месторождения Согра Томской области.
Термомодифицированную добавку изготовляют путем тепловой обработки торфа до температуры 600 и 800 °С. При этих температурах снижается содержание органических веществ в торфе. Теперь его состав представлен преимущественно зольной частью и температуроустойчивыми органоминеральными комплексами, обеспечивающими армирующий и структурирующий эффект в цементном камне. Добавки ТМТ 600 и ТМТ 800 являются химически активными, способствуют образованию новых соединений в процессе гидратации цемента, что приводит к повышению прочности. Исследования по влиянию добавок ТМТ 600 и ТМТ 800 на свойства пенобетонной смеси и пенобетона ранее не проводились.
При проведении исследований использовался следующий состав пенобетонной смеси на 1 м3: цемент 416 кг; песок 265 кг; пенообразователь 0,9 кг, термомодифицированная добавка 25 кг и вода 230 л. Приготовление пенобетона осуществлялось одностадийным способом в лабораторном пенобетоно-
смесителе (ПБС) объемом 10 л, по своим характеристикам приближенном к серийно выпускаемой промышленной установке ПБС 160 М.
Сначала без добавления воды перемешивали песок, цемент и термомодифицированную торфяную добавку до однородного состояния, затем в пено-бетоносмеситель добавляли 60-70 % требуемого объема воды затворения. Смесь перемешивалась 2 мин. Пенообразователь вводили в оставшуюся воду затворения, а затем в смеситель и перемешивали дополнительно еще 3 мин.
Готовую пенобетонную смесь укладывали в металлические формы 100^100x100 мм. Отформованные образцы пенобетона выдерживали до испытания в нормальных условиях. Испытание и оценка качества пенобетона проводились по ГОСТ 25485-89.
Как следует из приведенных результатов исследования (рис. 1, 2), при введении добавок ТМТ 600 и ТМТ 800 в пенобетонную смесь повышается предел прочности при сжатии пенобетона в 7-суточном возрасте на 33-46 %, а в 28-суточном возрасте - на 35-43 %.
Контрольный ТМТ600 ТМТ800
| □ 7 суток □ 28 суток
Рис. 1. Кинетика набора прочности пенобетона
Рис. 2. Структура пор пенобетона:
а - контрольный; б - ТМТ 600; в - ТМТ 800
Как видно из электронно-микроскопических снимков, поры пенобетона с добавками более однородны по размерам, преобладают поры диаметром 0,05 мм. Поры замкнуты. В контрольных образцах поры расположены хаотично, имеются сквозные поры.
В таблице представлены данные, характеризующие влияние модифицирующих добавок на физические свойства пенобетона.
Физические свойства пенобетона
Свойства пенобетона Контроль- ный Пенобетон с ТМТ 600 Пенобетон с ТМТ 800
Средняя плотность, кг/м3 757 732 730
Пористость, %:
общая 37,2 49,6 50,1
открытая 32,7 23,1 26,7
закрытая 4,5 26,5 23,4
Водопоглощение, %:
по объему 32,7 23,1 26,7
по массе 50,8 34,5 39,2
Теплопроводность, Вт/м-К 0,105 0,09 0,089
У образцов пенобетона с торфяными добавками ТМТ 600 и ТМТ 800 увеличилась общая пористость по сравнению с контрольными образцами, при этом преобладает закрытая пористость.
По результатам проведенных исследований установлено, что введение термомодифицированной торфяной добавки способствует уменьшению размера пор и равномерному их распределению в пенобетоне. Увеличение общей и закрытой пористости, равномерное распределение пор и уменьшение их размеров способствуют уменьшению теплопроводности пенобетона с 0,105 Вт/(м-°С) до 0,09 Вт/(м-°С), т. е. на 14 %. Таким образом, введение термомодифицированной торфяной добавки в пенобетонную смесь в количестве 6 % от массы цемента позволяет повысить прочность пенобетона в марочном возрасте на 35-43 %, снизить значения коэффициента теплопроводности на 14 % и водопоглощение на 22,8-32,0 %.
Библиографический список
1. Сохранение энергии. Нефтехимия для энергосбережения. - Томск : Сибур-ИРГ, 2011. - 32 с.
2. Кудяков, А.И. Проектирование неавтоклавного пенобетона / А.И Кудяков, Д.А. Киселев // Строительные материалы, приложение Tecznology. - 2006. - № 11. - С. 8-9.
3. Влияние термомодифицированного торфа на свойства цементных систем / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, Ю.С. Саркисов, А.В. Касаткина // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сб. науч. тр. - Белгород, 2010. - С. 166-170.
4. Формирование прочности активированного торфяного вяжущего в торфодревесных композитах // А.И. Кудяков, Н.О. Копаница, И.И. Завьялов // Известия вузов. Строительство. - 2001. - № 7. - С. 12-14.
References
1. Sohranenie jenergii. Neftehimija dlja jenergosberezhenija [Conservation of energy. Petrochemistry for energy saving]. - Tomsk : Sibur-RPI, 2011. - 32 p.
2. Kudjakov A.I., Kiselev D.A. Proektirovanie neavtoklavnogo penobetona [Designing of not au-toclaved foam concrete] // Stroitel'nye materialy [Building materials], prilozhenie Teczno-logy. - 2006. - No. 11. - P. 8-9.
3. Kopanica N.O., Kudjakov A.I, Sarkisov Ju.S., Kasatkina A.V. Vlijanie termomodificirovannogo torfa na svojstva cementnyh sistem [Influence of thermally-modified peat on the properties of cement systems] // Sb. trudov «Nauchnye issledovanija, nanosistemy i resursosberegajushhie tehnologii v promyshlennosti stroitel'nyh materialov» [Scientific researches, nano-and resource-saving technologies in the industry of building materials]. - Belgorod, 2010. - P. 166-170.
4. Kudjakov A.I., Kopanica N.O., Zavjalov I.I. Formirovanie prochnosti aktivirovannogo torfjanogo vjazhushhego v torfodrevesnyh kompozitah [Formation of strength of activated peat binder in peat-wooden composites] // Izvestija vuzov. Stroitel'stvo [News of Higher Education Institution. Construction]. - 2001. - No. 7. - P. 12-14.
