CC BY
29УДК 666.973.6
Е.В. ЛУКАШ, канд. техн. наук, М.И. КУЗЬМЕНКОВ, д-р техн. наук, Белорусский государственный технологический университет (Минск)
Неавтоклавный пенобетон на основе магнезиального цемента
Постоянный рост стоимости энергоносителей обусловливает необходимость расширения производства менее энергоемких строительных материалов, в том числе теплоизоляционных. Наибольшее распространение в строительном комплексе республики в качестве последних получили газосиликатные блоки. Однако в ряде стран объемы производства неавтоклавных пенобетонов ежегодно увеличиваются. Это объясняется их сравнительно простой технологией, меньшими затратами энергии по сравнению с процессами получения других ячеистых бетонов и бетонов на пористых заполнителях. Кроме того, усовершенствованная технология получения неавтоклавных пенобетонов позволяет получать материалы со свойствами, не уступающими газобетону. Таким материалом является пенобетон плотностью 150— 200 кг/м3 с прочностью на сжатие около 2 МПа, теплопроводностью 0,055—0,065 Вт/(м-°С), который производит ОДО «ОршаСтройБетон» (РБ, г. Орша).
Оценивая высокие показатели блоков из газосиликатного бетона (небольшая объемная масса 200— 500 кг/м3, высокая прочность на сжатие 0,5—2,5 МПа, низкая теплопроводность 0,08—0,11 Вт/(м-оС), малая усадка при высыхании — не более 0,5 мм/м), следует отметить их существенный недостаток — высокую энергоемкость производства за счет автоклавной обработки, энергозатраты на которую составляют 18—22 кВт/ч, в то время как для получения неавтоклавного пенобетона — 6—7 кВт/ч [1].
Дальнейшее снижение энергозатрат может быть достигнуто за счет применения менее энергоемкого магнезиального цемента, производство которого планируется осуществлять из доломита месторождения Руба (РБ, г. п. Руба, Витебская обл.) на ЗАО «Инома». Предварительные расчеты тепловых затрат показали, что на получение магнезиального цемента из доломита расход условного топлива на 1 т каустического доломита составит не более 100 кг усл. топлива, что значительно ниже по сравнению с затратами на получение цементного клинкера (190—210 кг усл. топлива) и извести (290—310 кг усл. топлива).
В настоящее время неавтоклавные пенобетоны в основном получают на основе портландцемента, поэтому нами решались прежде всего две задачи:
— снижение энергозатрат за счет применения менее энергоемкой технологии получения магнезиального цемента;
— повышение основных физико-механических свойств неавтоклавного пенобетона, максимально приближенных к свойствам автоклавного газобетона. Известно, что выбор пенообразователя, играющего
важную роль на начальном этапе формирования бетона, обусловливает как технологию производства пенобетона, так и технические и эксплуатационные характеристики получаемой продукции [2, 3]. До настоящего времени нет универсального подхода к оценке эффективности того или иного пенообразователя, отсутствуют научно обоснованные методы определения оптимального количества пенообразователя и жидкотвердого отношения (Ж/Т отношение) исходной пенобетонной
смеси, поэтому исследование различных пенообразователей является одним из важнейших этапов создания качественных теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов [4].
Для подбора оптимального состава пенобетона выходными параметрами служили средняя плотность и прочность на сжатие возрасте в 14 сут.
Для исследований использовали каустический доломит, который получали по режиму [5]. В качестве пенообразователей использовали наиболее распространенные в технологии получения пенобетона на основе портландцемента синтетические ПБ-2000, Унипор, Пионер, Пеностром. Рабочий раствор пены получали смешиванием концентрата пенообразователя с водой. Затворителем каустического доломита служил раствор сульфата магния плотностью 1290±10 кг/м3 и температурой 20±2°С. Количество пенообразователей варьировали от 0,1 до 4% от массы каустического доломита при постоянном жидкотвердом отношении 0,45. Частота вращения вала мешалки составляла 800±10 ^е м~92000) об/мин, время перемешивания пе-нобетонной смеси 60±5 с.
Пенобетон получали по следующей методике. Сухую смесь каустического доломита и наполнителя смешивали в лабораторной планетарной мельнице Reatsch РМ 100 в течение 50±10 с. Суспензию магнезиального вяжущего с песчаной добавкой получали введением в сухую смесь раствора затворителя. Перемешивание суспензии проводили до получения однородной смеси. Пенобетонную смесь заливали в разъемные металлические формы размером (70x70x70) мм, внутренние поверхности которых смазывали трансформаторным маслом. Лабораторные образцы выдерживали в формах в течение 24—48 ч, после чего проводили распалубку. Окончательное твердение изделий проходило на воздухе при комнатной температуре.
На рис. 1 представлено влияние количества пенообразователя на объемную массу пенобетона.
Рис. 1. Влияние количества пенообразователя на плотность пенобетона: 1 - Унипор; 2 - Пионер; 3 - Пеностром; 4 - ПБ-2000
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2012
33
14
12 -
10 -
8 -
6 -
4
0,3 0,4 0,5 1 2 Количество пенообразователя, %
Рис. 2. Зависимость прочности пенобетона от количества пенообразователя: 1 - Унипор; 2 - Пионер; 3 - Пеностром; 4 - ПБ-2000
Из рис. 1 следует, что объемная масса пенобетона зависит прежде всего от количества вводимого пенообразователя и в меньшей степени от его вида. При добавлении пенообразователей в количестве 2—4% можно получить пенобетон плотностью 500 кг/м3 и менее, причем при использовании пенообразователя Унипор данных значений не удается достичь даже при его содержании 4%. При этом получены образцы пенобетона с достаточно низкими прочностными показателями и трещиноватой поверхностью.
Как известно, кроме объемной массы важным показателем качества пенобетона являются его прочностные свойства (рис. 2).
При плотности пенобетона 500—600 кг/м3 наиболее высокой прочностью (0,5—2 МПа) обладают образцы, полученные с использованием пенообразователей ПБ-2000 и Пеностром. Однако даже лучшие образцы пенобетона не показывают прочность, сопоставимую с прочностью автоклавных газобетонов (по ГОСТ 25485—89 для газобетона марки D500 — не менее 1 МПа, для марки D600 — не менее 2 МПа).
Пенобетон на основе пенообразователей Пионер и Унипор характеризуется неоднородностью порового пространства, укрупнением пор (более 3 мм), образованием сообщающихся каналов, что приводит к деструкции цементной системы и уменьшению прочности конечного продукта.
Наилучшие результаты получены с использованием пенообразователя Пеностром.
Известно, что пенообразующие вещества отрицательно влияют на процессы схватывания и твердения вяжущего вследствие образования плотной пленки ПАВ на поверхности зерен гидратирующегося цемента, препятствующей твердению.
Одним из направлений улучшения прочностных показателей бетона является применение пластифицирующих добавок. Так, в технологии пенобетонов на основе портландцемента широко применяют пластифицирующие добавки, в частности гиперпластификаторы, которые дают хороший пластифицирующий эффект, но в то же время негативно влияют на темп набора прочности.
В работе [6] высказано предположение относительно характера адсорбции ПАВ на поверхности цементных частиц. Хотя слой ПАВ носит не регулярный характер, а сетчатый, тем не менее он представляет собой препятствие на пути нуклеофильной атаки раствора затворителя на твердую цементную частицу. Исходя из этого эффективным способом устранения указанного негативного явления может служить ликвидация данного препятствия, т. е. полное или частичное уда-
610
600
590
580
570
560
5 10 15
Количество отсева песка, %
Рис. 3. Влияние количества отсева песка на свойства пенобетона: 1 - плотность; 2 - прочность
ление с поверхности твердых частиц адсорбированного слоя ПАВ.
Эта задача может быть решена за счет введения в состав магнезиального цемента различных тонкодисперсных добавок.
В качестве добавок для неавтоклавного пенобетона на основе портландцемента наибольшее распространение получили микрокремнезем и зола-уноса. Сведения относительно их использования в составе пенобетона на основе магнезиального цемента немногочисленны.
Для проведения эксперимента был использован отсев строительного песка (остаток на сите с сеткой № 008 менее 10%), образующийся при производстве сухих строительных смесей на ЗАО «Ирмаст» (РБ, г. Жодино), и зола-уноса Дорогобужской ТЭЦ (остаток на сите с сеткой № 008 менее 30%), содержание которых варьировали в пределах 5—20% от массы вяжущего. Результаты исследований представлены на рис. 3—4.
Выбор в качестве добавки отсева песка был продиктован не только тем, что он будет обеспечивать абразивную роль, но и стабилизацию пенобетонной смеси за счет присутствия в его составе глинистых минералов, подобно тому как бентонит стабилизирует суспензированные минеральные удобрения, а также буровые растворы.
Из рис. 3 видно, что увеличение содержания отсева песка с 5 до 15% приводит к незначительному повышению плотности пенобетона (с 570 до 600 кг/м3), однако при этом прочность при сжатии возрастает на 40% по сравнению с контрольным образцом (пенобетон без добавок). Вероятно, тонкодисперсные частицы песка, выполняя роль абразива, будут частично устранять адсорбированный на поверхности частиц цемента слой ПАВ и тем самым способствовать ускорению сроков схватывания и твердения пенобетона. Кроме того, известно [7, 8], что тонкодисперсные наполнители могут выступать в качестве стабилизаторов пены, адсорбируясь на ее поверхности и создавая плотный припленочный слой, что препятствует ее разрушению.
Добавление отсева песка в количестве 20% и более приводит к некоторому снижению прочностных показателей пенобетона. Это может быть связано с налипанием дисперсного отсева песка на частицы MgO и СаС03, что, в свою очередь, приведет к замедлению процесса твердения вяжущего.
Из рис. 4 видно, что использование золы-уноса в качестве кремнеземистого компонента в количестве 15—20% позволяет получить пенобетон плотностью 510—530 кг/м3, однако его прочностные показатели снижаются с 2 до 1,1—1,6 МПа, при этом оставаясь на уровне нормируемых показателей прочности на сжатие
2
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 34 ноябрь 2012 ~ Л1] ®
600
а 550
Я 500
450
5 10 15
Количество золы-уноса, %
Рис. 4. Зависимость свойств пенобетона от количества золы-уноса: 1 - плотность; 2 - прочность
автоклавного газобетона марки D500 по ГОСТ 25485—89 (класс по прочности В1—В1,5). Введение золы-уноса в количестве более 25% приводит к растрескиванию и разрушению образцов.
Добавление отсева песка и золы-уноса в количестве 10—15% способствует образованию сферических пор размером 100—250 мкм, что, очевидно, положительно сказывается на его прочности. Кроме того, авторами [9] отмечается, что сферическая форма пор снижает концентрацию напряжений вокруг них от внешней нагрузки, что приводит к росту прочности пенобетона.
Оптимальным следует считать использование отсева песка в количестве 10—15% от массы вяжущего, поскольку это обеспечивает получение пенобетона плотностью 590—600 кг/м3 и прочностью на сжатие 3,4—3,7 МПа, что на 40% выше по сравнению с контрольным образцом и на 30% превышает нормируемые показатели физико-технических свойств автоклавных газобетонов по ГОСТ 25485—89 (автоклавный газобетон марки D600 должен соответствовать классу по прочности на сжатие В1—В2,5, неавтоклавный бетон марки D600 — В1—В1,5). Использование золы-уноса в количестве 15—20% позволяет получить пенобетон марки D500 с прочностными показателями, не уступающими автоклавному ячеистому бетону.
Медленный темп набора прочности пенобетона, как отмечалось ранее, связан с негативным влиянием пенообразователя, который блокирует процесс гидратации цемента и замедляет твердение. Использование в качестве добавки отсева песка приводит к увеличению прочностных показателей пенобетона в ранние сроки твердения (1—2 сут) в два раза, причем прирост прочности практически прекращается в возрасте 28 сут и составляет 3,5—4 МПа (рис. 5).
При введении в состав пенобетона отсева песка время достижения распалубочной прочности сокращается почти в два раза и через сутки твердения прочность достигает 0,2—0,3 МПа, что позволяет ускорить оборачиваемость форм, а вместе с этим и производительность технологической линии.
Таким образом, установлена возможность получения неавтоклавного пенобетона на основе магнезиального цемента, не уступающего по своим основным физико-механическим свойствам газосиликатным блокам.
Выявлена эффективность введения в состав пенобетона отсева песка, которая проявляется в улучшении стабильности пенобетонной смеси и повышении прочности пенобетона. Показано, что пенообразователь, адсорбируясь на поверхности частиц каустического доломита, препятствует нуклеофильной атаке затворите-ля, что приводит к замедлению процессов схватывания
3 2,5 2 1,5 1
7 14 28 Время твердения, сут
Рис. 5. Темп набора прочности пенобетона: 1 - контрольный образец; 2 - образец с добавкой отсева песка
и твердения вяжущего. Предложен способ предотвращения негативного влияния пленки пенообразователя, сорбированной на поверхности цементной частицы, препятствующей нуклеофильной атаке затворителя, суть которого состоит во введении в состав пенобетона тонкодисперсной фракции строительного песка, обеспечивающего устранение диффузионных торможений на пути проникновения раствора затворителя за счет частичного удаления пленки пенообразователя с поверхности цементной частицы.
Ключевые слова: неавтоклавный пенобетон, магнезиальный цемент, газобетон, пенообразователи.
Список литературы
1. Сажнев Н.П. и др. Производство ячеисто-бетонных изделий: теория и практика. 3-е изд., доп. и перераб. Минск: Стринко, 2010. 464 с.
2. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их применения и разрушения. М.: Химия, 1983. 264 с.
3. Шахова Л.Д. Роль пенообразователей в технологии пенобетонов // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 16-19.
4. Иванов И.А., Жмыхов В.М. Оценка свойств синтетических пенообразователей для пенобетона // Строительные материалы. 2007. № 7. С. 33-34.
5. Кузьменков М.И., Марчик Е.В., Стародубенко Н.Г. Магнезиальный цемент из местного сырья. Концептуальные аспекты проблемы // Труды БГТУ. Сер. III. Химия и технология неорган. 2007. Вып. XV. С. 51-53.
6. Юхневский П.И., Зеленковский В.М. Квантово-хими-ческие расчеты свойств молекул пластифицирующих добавок С-3 и ЛСТ в зависимости от степени поликонденсации // Проблемы современного бетона и железобетона: Сб. трудов II Международного симпозиума. Минск. 21-23 окт. 2009 г.: В 2 т. РУП «Институт БелНИИС». Минск, 2009. Т. II. С. 439-447.
7. Ружинский С.А. и др. Все о пенобетоне. 2-е изд. СПб: ООО «Строй-бетон», 2006. 630 с.
8. Торпищев Ш.К., Торпищев Ф.Ш. О некоторых направлениях повышения эффективности неавтоклавных пенобетонов // Бетон и железобетон — пути развития: науч. труды 2-й Всероссийской конф. по бетону и железобетону. Секция «Технология бетона». М.: Дипак, 2005: В 5 т. Т. 5. С. 155-164.
9. Моргун В.Н. Влияние формы компонентов на интенсивность межчастичных взаимодействий в пенобе-тонных смесях // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 29-31.
rj научно-технический и производственный журнал
J^J ® ноябрь 2012 35
