CC BY
45Череватова А.В., д-р техн. наук, проф., Павленко Н.В., аспирант
ПЕНОБЕТОН НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ВЯЖУЩЕГО
Статья посвящена описанию принципов проектирования теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного пенобетонов на основе вяжущего не гидратационного твердения, заключающегося в использовании наноструктурированного вяжущего полимеризационно-конденсационного типа твердения.
Ключевые слова: пенобетон, вяжущее, структура, пенообразователь, упрочнение, теплоизоляционный материал.
В связи с изменением общей энергетической политики в России - переходом от энергозатратного принципа развития экономики к учету и управлению топливоэнергоемкостью общественного
производства, первостепенное значение приобретает проблема рационального энергосбережения. Проблема топливных ресурсов во всем мире, поиски альтернативных источников и видов энергии дают резкий толчок в развитии прогрессивных технологий, как в области энергетики, так и в области энергосбережения. Теплозащита стен зданий, позволяющая более чем в два раза сократить теплопотери, становится сверхактуальной. Проблема энергосбережения в строительстве, обозначенная требованиями СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий", определила интенсивное направление по созданию и производству эффективных дешевых
материалов и конструкций с высокими теплофизическими свойствами. Ее решение основывается на производстве
теплоизоляционных материалов с
минимальными энергозатратами [1].
В строительной практике в настоящее время применяются разнообразные
теплоизоляционные материалы. Основные из них: легкие бетоны (керамзитобетон, перлитобетон, шлакобетон, газо- и пенобетон и др.); "теплые" растворы (цементоперлитовый, гипсоперлитовый, поризованный и др.); изделия из дерева и других органических материалов (плиты древесностружечные, фибролитовые, камышитовые и др.); минераловатные и стекловолокнистые материалы (минераловатные маты, минераловатные плиты мягкие, полужесткие, жесткие и повышенной жесткости на различных связующих, плиты из стекловолокна и др.); полимерные материалы (пенополистирол, пенополиуретан,
перлитопластобетон и др.); пеностекло или газостекло и др [2].
Одним из наиболее перспективных является легкий бетон и в частности экологически чистый негорючий ячеистый бетон неавтоклавного твердения - пенобетон, который является многофункциональным строительным материалом. Его использование в конструкциях зданий позволяет снизить затраты на обогрев благодаря уменьшению потерь теплоты через ограждающие конструкции, снизить их толщину, увеличивая тем самым полезную площадь помещения, что способствует решению проблем строительства социального жилья в нашей стране. Применяемые в настоящее время пенобетоны на основе цементного вяжущего имеют недостаточную прочность, длительные сроки твердения и высокую стоимость, что связано с постоянным ростом цен на цемент. Пенобетон с использованием наполнителей, введением сухих компонентов в вяжущее хоть и обладает улучшенными характеристиками, но отличается сложностью технологического исполнения.
Задачей является создание
высокоэффективного теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного экологически чистого пенобетона на основе принципиально нового вида бесцементного наноструктурированного вяжущего (НВ) с улучшенными физико-механическими и теплофизическими свойствами, изготовление из него технологичных, экономичных и экологически безопасных изделий для возведения теплоэффективных ограждающих конструкций современных зданий.
Одним из актуальных направлений развития промышленности строительных материалов является создание новых и совершенствование существующих технологий, которые связаны с получением наносистем и применением нанотехнологических подходов. В связи с
возрастающими потребностями в эффективных вяжущих веществах, в том числе вяжущих негидратационного типа твердения и материалов на их основе, обладающих высокими эксплуатационными
характеристиками и экологической
безопасностью, как при производстве, так и при эксплуатации, важной является разработка и применение нового класса
наноструктурированных вяжущих, способных полностью заменить в формовочных системах цемент при производстве пенобетона. Такое вяжущее было разработано в Белгородском государственном технологическом
университете, за счет введения нанодисперсных добавок с последующей комплексной направленной модификацией
высококонцентрированных вяжущих систем на основе кварцесодержащего сырья. Это позволило создать наноструктурированную систему в самой композиционной массе в процессе получения пенобетона.
Применение наноструктурированных
вяжущих систем позволяет решить как проблему агрегативной устойчивости, так и проблему гомогенизации нанодисперсного активного вещества по всему объему с целью стабильного структурирования на всех размерных уровнях организации композита, оптимизацировать физико-химические процессы производства.
Пенобетон получают по средством активации водных растворов некоторых поверхностно активных веществ и дальнейшей минерализации полученной пены путем введения наноструктурированного вяжущего. В качестве ПАВ использовали протеиновые (Addiment, Green Froth) и синтетические (Пеностром, Esapon) пенообразователи. В зависимости от вида используемого пенообразователя возможно применение стабилизирующей добавки. При использовании синтетических ПАВ после получения пенобетонной смеси вводят жидкое стекло, для нейтрализации отрицательного влияния пенообразователя на прочностные
характеристики материала. При использовании протеиновых пенообразователей эта операция не требуется, т.к. оказывает отрицательное влияние на агрегативную устойчивость дисперсных систем, наблюдается процесс коагуляции. Выбор пенообразователя в известной мере обусловливает как технологию производства пенобетона, так и технические и эксплуатационные характеристики получаемого материала. Различные свойства пены по-
разному влияют на структуру образования, формирования и твердения пенобетонной массы, отражаются на характеристиках зданий и сооружений, построенных из пенобетона [3]. При использовании синтетических
пенообразователей увеличивается срок схватывания и твердения пенобетонной массы, высокая концентрация отрицательно сказывается на прочностных характеристиках пенобетона, понижается стойкость
пенобетонной массы. Чем выше концентрация пенообразователя, тем быстрее и с меньшими энергозатратами можно получить пену необходимой кратности, но при этом значительно ухудшаются прочностные характеристики образцов. При концентрации выше оптимальной получается не стабильная пена и в образце на ее основе, наблюдаются усадочные явления, увеличиваются сроки твердения. Пенообразующая способность ПАВ возрастает с повышением концентрации до определенного предела, после которого объем пены не изменяется.
Белковые пенообразователи практически не влияют на увеличение срока схватывания и твердения пенобетонной массы, оказывают слабое влияние на уменьшение прочности пенобетона, обеспечивают очень высокую стойкость пенобетонной массы. Но при повышенных концентрациях увеличивается себестоимость получаемого материала. Пена на основе протеиновых пенообразователях отличаются повышенной стойкость, по сравнению с пеной на основе синтетических.
В работе использовался, разработанный авторами композиционный пенообразователь, полученный при смешении в определенной пропорции протеинового пенообразователя Addiment и синтетического Esapon, что позволяет значительно сократить расход ПАВ и получить пену высокой кратности и необходимой стойкости. Белковый
пенообразователь обеспечивает получение стабильной, вязкой пены, но при его использовании сложно добиться высокой кратности, для этого необходимо повышать концентрацию пенообразователя, время активации, что приводит к увеличению себестоимости материала. При использовании синтетических пенообразователей пена формируется за более короткий промежуток времени, но обладает низкой стойкостью и отрицательно влияет на прочность. При определенном варьировании концентраций пенообразователей, в зависимости от требуемой плотности материала получаем большой объем
пены необходимой консистенции и стойкости при пониженном водотвердом отношении (В/Т).
Для пенобетона рациональной ячеистой структурой следует считать равномерно распределенную в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформированных в правильные многогранники пор с глянцевой поверхностью припорового слоя, разделенных тонкими плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками.
Очень важным является однородность распределения пористости в объеме материала, которая зависит от однородности смеси и прежде всего от равномерности распределения пенообразователя. Использование НВ, благодаря своей подвижности за счет введения нанодисперсного модификатора, и выбора правильных режимов активации пены и перемешивания пенобетонной смеси
обеспечивает создание однородной
формовочной массы. Вяжущее производится по средствам мокрого измельчения
кремнеземистого сырья, в качестве которого могут быть использованы природные и искусственные кварцевые пески,
кварцитопесчанники и другие материалы, преимущественно содержащие не менее 60 % SiO2.
Прочность материала определяется пористостью, прочностью, равномерным распределением межпоровых перегородок, что во многом зависит от вяжущего [4]. Были проведены исследования при помощи прибора SoftSorbi-П verЛ .0, прибор №. 1980 по измерению полного объема пор, полной удельной поверхности с помощью многоточечного метода БЭТ, которые показали, что наименьшая нанопористость характерна для упрочненного материала на основе НВ. Повышенная нанопористость отрицательно сказывается на прочностных характеристиках перегородки и как следствие на качестве получаемого материала. Равномерность сечения перегородки по периметру пор зависит от характера упаковки пор в объеме материала, степени и вида деформации пор по размерам.
При анализе пористости полученного материала было выявлено присутствие пор в нем различного диаметра. Полидисперсный характер распределения пор по размерам при определенных условиях обеспечивает высокую вероятность равномерного размещения пор меньших размеров между порами больших диаметров. На неоднородность толщины перегородок в объеме материала влияют в первую очередь равномерность распределения в поризуемой смеси пенообразователя, объем пористости, диаметр пор, В/Т отношение.
При использовании НВ для получения пенобетона плотностью 450 кг/м3 В/Т отношение составляет 0,37, что значительно ниже чем для пенобетона соответствующей плотности на основе цементного вяжущего (В/Т 0,5). Это связано с особенностями механизма твердения НВ, отсутствием процесса гидратации. Уменьшение количества воды, присутсвие оптимального количества частиц наноразмерного уровня в системе позволяет повысить плотность межпоровой перегородки, избежать появления капиллярных пор, которые негативно сказываются на прочностных характеристиках получаемого материала. Избежать деформирования сферических пор возможно также при снижении поверхностного натяжения, повышения устойчивости массы, ускорения набора пластической прочности, за счет правильного подбора концентрации и вида пенообразователя.
Поровая структура упрочненного материал на основе НВ отличается плотной гладкой внутренней поверхностью пор. Этого можно добиться путем понижения поверхностного натяжения в период поризации массы, за счет бережного перемешивания и правильного выбора пенообразователя, для этого необходимо регулировать время активации и недопускать слишком интенсивного порообразования. При введении добавок, способствующих
сокращению времени твердения образца (жидкое стекло) происходит быстрая фиксация образовавшейся пористой структуры.
Рисунок 1 - Микроструктура пенобетона на основе НВ: а - сырец материала на основе НВ, б -
упрочненный материал на основе НВ
Для достижения эксплуатационной прочности материала использовалась дополнительная операция по упрочнению, которая заключается в выдержке материала в щелочной среде, в результате чего прочность увеличивается в 2-3 раза, в зависимости от объемной массы материала, а плотность на 1520%. В связи с неравномерным упрочнением и значительным набором плотности был разработан новый более эффективный механизм достижения эксплуатационной прочности материала, заключающийся в орошении сырца, в результате чего плотность увеличивается на 2-5
%, а прочность в 1,5-2 раза. В таблице приведены составы пенобетонной смеси на основе протеинового пенообразователя Addiment и композиционного пенообразователя Е8ароп + Addiment (%-ное соотношение сырьевых компонентов, концентрация модифицирующей, пластифицирующей
добавки, концентрация пенообразователя от массы вяжущего), основные характеристики пеномассы (В/Т, кратность минерализованной пены) и получаемого материала (плотность, прочность, теплопроводность).
Составы и основные характеристики пенобетона на основе НВ
Таблица 1
Состав, % С мод. С пласт. В/Т Кр.мин. С P, Р, &
доб. в доб. в пены ПАВ кг/м3,выдер МПа, Вт/мх°С,
вяжущем, % вяжущем, % от т вяжу щего, % жка /орошение выдерж ка /ороше ние выдержка /орошение
аддимент-0,86; 0,07 5 0,34 7,7 1,1 480/380 5,2/4 0,09/0,08
вода-12,9;
НВ-86,24
аддимент-0,9; 0,08 3 0,35 8 1,15 460/360 4,7/3,7 0,09/0,08
вода-13,5;
НВ-85,6
«еБароп»-0,21; 0,07 5 0,3 8 0,27+ 480/390 5,2/3,8 0,10/0,08
аддимент-0,12; 0,16
вода-8,87;
НВ-88,7;
Жид.стекло-2,1
«езароп»-0,2; 0,08 3 0,31 8,7 0,27+ 460/370 4,7/3,5 0,10/0,08
аддимент-0,14; 0,18
вода-9,3;
НВ-88,36;
Жид. стекло-2
Получение НВ на основе доступных сырьевых компонентов, возможно реализовать в рамках предприятия по производству пенобетона, сокращая тем самым расходы на транспортировку. Применение НВ позволяет
упростить и удешевить технологию, способствует повышению эффективности технологического процесса за счет существенного сокращения сроков изготовления пенобетонных изделий с сохранением и
улучшением основных технико-
эксплуатационных и теплофизических характеристик: механической прочности, пористости, плотности, теплопроводности. По предлагаемой технологии осуществляется получение пенобетона, обладающего свойствами теплоизоляционно-
конструкционного материала. Результаты работы могут найти широкое применение в отдаленных, северных районах, где отсутствует производство цемента и для получения цементосодержащих строительных материалов необходимо транспортировать его, что приводит к дополнительным затратам, и нет возможности создания оптимальных температурных условий, обеспечивающих набор эксплуатационной прочности материала (протекание процесса гидратации цемента).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Энерго- и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов : сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. "Качество,
безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге ХХ1 века»; под общ. ред. Л.Д. Шахова, В.Н. Тарасенко, В.В. Балясников. -Белгород : Изд-во БелГТАСМ, 2000. - Ч.1. - С. 366370.
2. Коровяков В.К. Теплозащита стен зданий, позволяющая более чем в два раза сократить теплопотери, становится сверхактуальной / В.К. Коровяков, И.Р. Румянцева // Строительство. - 2005. - № 4. - С. 15 - 19.
3. Сравнительная характеристика пенообразователей для ячеистых бетонов : сб. докл. междунар. научно-практич. конф. Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (ХУШ науч.чтения); под общ. ред. Л.Д. Шахова, Т.А. Пирогова.-Белгород : Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. -Ч.1. - С.319-323.
4. Влияние характеристик межпоровой перегородки на физико-технические свойства ячеистого бетона / В. А. Мартыненко // Строительные материалы и изделия. - 2003. - N4. - С. 35-37.
