CC BY
23УДК 666.973:539.2
A.В. СУМИН, инженер (artem2054@yandex.ru), В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук,
B.В. НЕЛЮБОВА, канд. техн. наук (nelubova@list.ru), С.А. ЕРЕМЕНКО, студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Пеногазобетон с наноструктурированным модификатором*
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования наноструктурированного вяжущего в качестве модифицирующего компонента при получении теплоизоляционных ячеистых бетонов. Модификатор структурирует все элементы ячеистого композита: цементную матрицу как носителя прочности, а также пеногазосистему как агентов поровой структуры. Доказана эффективность активированного алюминия как газообразующего компонента, а также обоснована его ультразвуковая гомогенизация в водной среде в присутствии наноструктурированного модификатора. Это способствует интенсификации процессов распределения дисперсных компонентов в воде и повышению стабильности системы во времени. Указанные приемы позволяют осуществить комплексную поризацию системы, что способствует формированию гетеропористой структуры композита. Все это в совокупности обеспечивает получение ячеистых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик.
Ключевые слова: наноструктурированное вяжущее, ячеистый бетон, пеногазобетон, газообразователь, механические свойства.
A.V. SUMIN, Engineer (artem2054@yandex.ru), V.V. STROKOVA, Doctor of Sciences (Engineering), V.V. NELUBOVA, Candidate of Sciences (Engineering) (nelubova@list.ru), S.A. EREMENKO, Student
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov(46, Kostyukov Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
Foam-Gas Concrete with Nanostructured Modifier*
In this study the opportunity of application of nanostructured binder as modifier when production of heat insulating cellular concretes is theoretically justified and experimentally confirmed. Modifier initiates structuring of all elements of cellular composites such as cement matrix, providing the strength of composite, as well as foam-gas system as source of pore structure in composite. Also the efficiency of an activated aluminum application as gas forming agent as well as its ultrasonic distribution in water environment with nanostructured modifier is established. It leads to acceleration of distribution of disperse components in water as well as system stabilization in time. These methods allow realization of complex pore formation in binding system as well as formation of heteroporous structure of final composite. Totally, it provides a production of cellular composites with good thermal characteristics and required strength properties.
Keywords: nanostructured binder, cellular concrete, foam-gas concrete, gas forming agent, strength, density.
Увеличение нормативных показателей теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий определяет высокий объем использования ячеистых бетонов при строительстве. Их широкая номенклатура позволяет достичь современных требований по теплоизоляции в совокупности с необходимыми прочностными характеристиками. При этом с позиции экономической эффективности целесообразным является использование неавтоклавных ячеистых композитов.
Наряду с высокими теплоизоляционными свойствами неавтоклавный ячеистый бетон, как правило, характеризуется невысокой прочностью каркаса и моноразмерной пористой структуры композита. Указанные недостатки возможно компенсировать, с одной стороны, использованием активных модифицирующих компонентов, в том числе наноструктурированных, способных повысить характеристики несущей матрицы композита, а с другой — комплексной поризацией системы, что обеспечит формирование гетеропористой ячеистой структуры бетона с пониженной плотностью. Реализация обоих механизмов для получения эффективных ячеистых композитов является целью настоящей работы.
Проведя сопоставительный анализ состава, физико-механических свойств (в частности, дисперсности, гигроскопичности, степени активности поверхности) и механизмов влияния добавок различной природы, применяемых для модификации цементных систем и ячеистых композитов, а также обладая информацией по составу и свойствам наноструктурированного вяжущего, было выдвинуто следующее предположение. Нано-структурированное вяжущее, используемое в качестве
A large amount of application of cellular concrete in construction leads to enhancement of standards for thermal properties of envelops structures in buildings.
Wide range of these materials allows achievement the update requirement to thermal characteristics providing desirable strength properties. So, from the standpoint of economical efficiency the usage of non-autoclave cellular composites is reasonable.
Having good thermal properties a non-autoclave cellular concrete is characterized by low strength and monosize pore structure. These disadvantages can be balanced by using of active modifiers including nanostructured components, initiated enhancement of performance characteristics of the composite matrix as well as by complex pore formation of the composite that provides development of heterogeneus cellular structure in concrete with reduced density. Realization of the both mechanisms of modification to produce an effective cellular composites is a goal of this study.
On the base of comparative analysis of composition, physical and mechanical properties such as dispersity, hygro-scopicity, surface reactivity as well as operation principle of modifiers (including nanostructured binder) applied in cement systems and cellular composites the following hypothesis is suggested:
Nanostructured binder as component in cellular products acts as modifier i. e. forms a structure of the such basic elements consisting of the final cellular composite as cement matrix that responsible for strength properties as well as foam and gas forming agents that responsible for pore structure formation.
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, договор №14-43-08020, а также в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.
* The research work is accomplished under the financial support from the Russian Foundation of Fundamental Research, agreement №14-4308020 and within the framework of the Program of Strategic Development of BSTU named after V.G. Shoukhov for 2012—2016 with using of the equipment based on the High-Technology Center, BSTU named after V.G. Shoukhov
0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 Газообразователь, % Gas forming agent, %
Рис. 1. Зависимости физико-механических характеристик пеногазобетона от количества порообра-зователей: а, b - плотность; c, d - прочность; e, f- теплопроводность
Fig. 1. Effect of content of pore agents on physical and mechanical characteristics of foam-gas concrete: a, b - density; c, d - compressive strength; e, f - conductivity coefficient
компонента при получении ячеистых изделий, будет выполнять роль модификатора, т. е. структурировать все основные элементы, формирующие в совокупности ячеистый композит: цементную матрицу — как носитель прочности; пено- и газообразователи — как агенты по-ровой структуры.
К настоящему времени работами ученых БГТУ им. В.Г. Шухова доказана эффективность применения наноструктурированного вяжущего (НВ) силикатного состава в качестве модифицирующего компонента материалов автоклавного твердения [1—5]. Кроме того, в работе авторов [6] доказана эффективность использования НВ для получения модифицированного вяжущего на основе цемента. Использование наноструктурированного моди-
At present time the efficiency of silica nanostructured binder (NB) application as modifier in autoclave materials is confirmed by studies of the scientists from the Belgorod State Technological University named after V.G. Shoukhov [1—5]. Also, the prospectivity of NB application when production of cement based modified binder is confirmed [6]. Using of nanostructured modifier allows significant enhancement of the binder strength characteristics as well as optimization of its rheological properties. Totally it allows production effective materials with varied structure and different types of hardening on the base of modified binder.
Now the one of the most effective ways of cellular products quality improvement including the structure modification and density reduction is complex pore formation. Particularly, the efficiency of foam-gas concrete production is demonstrated in earlier studies [7, 8]. However, production of these materials with optimal structure promoting high thermal properties in final products is difficult due to explosion-like gas evolution of update aluminum pastes and powders.
Solution of the above problems can be an application of alternative aluminum components those are able to gas formation, for example, activated aluminum. Possibility of its using as gas forming agent is presented in the paper [9].
In this study the followings raw materials for foam-gas concrete production are used: quartz sand (Korochanskoe deposit) as base component of nanosructured modifier; Portland cement CEM I 42.5 N (Close Joint-Stock Company «Belgorodsky cement»), foam agent «Penostrom» (Limited Liability Company «Shit»; activated aluminum AA—T/7 (Limited Liability Company «Ecoenergotech»).
Design of foam-gas concrete is realized on the base of available methods. Using these methods the design of 1 m3 of cellular concrete mix is calculated. During the calculation the followings parameters were used: average density of dry foam-gas concrete is 500 kg/m3, experimentally determined real density of mortar mix is 1.21 kg/l; water-solid ratio is 0.5. Silica component was not taken account when calculation process. After trial experiment the mixture was corrected taking into account the features of foam-gas concrete (Table 1).
To provide a good mixing of all components the following sequence of procedures for foam-gas concrete production was realized. First, the mixing of nanostructured modifier (NM) with activated aluminum AA—T/7 and water was accomplished. Then, the obtained suspension was homogenized under ultrasonic exposure leading to acceleration of distribution process of disperse modifier and gas forming
f/r- научно-технический и производственный журнал
фикатора позволяет существенно повысить прочностные свойства вяжущего с его использованием, а также оптимизировать реотехнологи-ческие характеристики. Все это в совокупности позволит получать эффективные материалы различной структуры и способов твердения на основе модифицированного вяжущего.
На сегодняшний день к числу эффективных способов повышения качества ячеистых изделий, нацеленных на улучшение структуры и снижения плотности, относится комплексная поризация. В частности, рядом работ обоснована эффективность получения пеногазобето-нов [7, 8]. Однако получение таких материалов с оптимальной структурой композита, обеспечивающей высокие теплоизоляционные свойства готовых изделий, затруднено в связи с взрывным характером газовыделения современных паст и пудр. Решением указанных проблем может стать использование нетрадиционных алюминиевых компонентов, способных к газообразованию, например активированного алюминия, возможность использования которого в качестве газообразователя показана в работе [9].
В качестве сырьевых компонентов для получения пеногазобетона использовали: песок Корочанского месторождения для получения наноструктурированного модификатора, цемент ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Белгородский цемент», пенообразователь «Пеностром» производства ООО «Щит» и активированный алюминий АА—Т/7 производства ООО «Экоэнерготех».
Проектирование состава пеногазобетона производили на основании известных методик. По приведенной методике рассчитывается состав ячеисто-бетонной смеси объемом 1 м3. При расчетах в качестве исходных данных использовались: средняя плотность пеногазобетона в сухом состоянии, которая принималась равной 500 кг/м3; фактическая плотность раствора, установленная опытным путем и равная 1,21 кг/л; водотвердое отношение — 0,5. Кремнеземистый компонент при проведении расчетов не учитывался. После пробного замеса состав был скорректирован с учетом специфики свойств пено- и газообразователя (табл. 1).
Для обеспечения качественного смешивания всех компонентов в работе обоснована следующая последовательность операций для получения пеногазобетона. На первоначальном этапе происходит смешение нанострукту-рированного модификатора, активированного алюминия и воды. Далее полученная суспензия гомогенизируется под непродолжительным действием ультразвука, что приводит к интенсификации процессов распределения разноразмерных дисперсных компонентов модификатора и газообразователя, а также, повышению стабильности системы (отсутствие расслоения). Следующим этапом является перемешивание суспензии АА—Т/7 — НМ — вода с цементом с последующим добавлением раствора пенообразователя. Завершающей стадией является совместное взбивание всех компонентов до получения стабильной пеномассы.
Для разработки рациональных составов бетона использовано математическое планирование эксперимента. Оценку оптимизации свойств производили на основании анализа номограмм физико-механических характери-
Таблица 1 Table 1
Компоненты Расход Content in mixture for
Components На 1 м3 1 m3 На 1 л 1 litre
Цемент, кг Cement, kg 400 0,4
Наноструктурированный модификатор, кг Nanostructured modifier, kg 100 0,1
Активированный алюминий, кг Activated aluminum, kg 1,4 0,0014
Пенообразователь, л Foam agent, l 0,4 0,0004
Вода, л Water, l 240 0,24
Таблица 2 Table 2
Образец 1 Sample 1 Образец 2 Sample 2
Состав, % Component % Цемент Cement 51,83 51,76
Наноструктурированное вяжущее NB 12,96 12,94
Активированный алюминий AA-T/7 0,18 0,27
Пенообразователь Foam agent 0,05 0,09
В/Т Water-solid ratio 0,54
Свойства Parameters Плотность, кг/м3 Density, kg/m3 422 481
Марка по плотности Density quality D400 D500
Предел прочности при сжатии, МПа Yield compressive strength, МРа 1,19 1,58
Класс по прочности Grade class B1 B1
Класс по прочности по ГОСТ 25485-89 Grade class according to Russian Standard 2548589 at least B0,5-B0,75 B0,75-B1
Теплопроводность, Вт/(м.оС) Conductivity coefficient, W/(m°C) 0,08 0,085
Теплопроводность по ГОСТ 25485-89 не более, Вт/(м.оС) Conductivity coefficient according to Russian Standard 25485-89, W/(m.°C), no more 0,1 0,12
Паропроницаемость, мг/(м.ч.Па) Water vapour transmission, ^^Д^г^Ра) 0,231 0,211
Паропроницаемость по ГОСТ 25485-89, мг/(м.ч.Па) Water vapour transmission according to Russian Standard 25485-89, mg/^h^) 0,23 0,2
Сорбционная влажность при влажности воздуха, % Sorption humidity depending an air humidity 75 7,1 7,5
95 10,5 11,3
Сорбционная влажность при влажности воздуха по ГОСТ 25485 89, % Sorption humidity depending an air humidity according to Russian Standard 25485-89, % 75 8 8
95 12 12
■Д
T ■ :
- .
»i ' J j ■.
I
Рис. 2. Макроструктура ячеистых композитов в зависимости от способа поризации системы: а - газобетон на алюминиевой пасте; b - газобетон на активированном алюминии; c - пенобетон; d - пеногазобетон с АА-Т/7
Fig. 2. Microstructure of cellular composites with different methods of pore formation: a - gas concrete based on aluminum paste; b - gas concrete based on activated aluminum; c - foam concrete; d - foam-gas concrete based on АА-Т/7
стик пеногазобетона: прочности при сжатии, плотности и коэффициента теплопроводности (рис. 1). В качестве варьируемых параметров выступали количества газо- и пенообразователей.
На основании полученных номограмм были выбраны оптимальные составы, полностью отвечающие всем требованиям нормативных документов (табл. 2).
Необходимо отметить, что пеногазобетон марки D400 отличается существенным запасом прочности. Так, нижней границей прочности для таких изделий является класс В0,5. Предлагаемые изделия превышают указанное значение в два раза. В случае пеногазобетона марки D500 класс по прочности равен аналогичному показателю для ячеистого композита марки D400. Тем не менее значение реальной прочности композита превышает класс по прочности в 1,5 раза.
Использование комплексной поризации ячеисто-бетонной смеси в совокупности с введением активного модифицирующего компонента, структурирующего все элементы формовочной смеси (пену, суспензию газо-образователя, цементную матрицу), способствует существенному увеличению прироста объема готовой ячеи-сто-бетонной смеси (на 30%) и, как следствие, снижению плотности готовых изделий.
Снижение плотности изделий обусловлено, с одной стороны, использованием комплекса поризующих агентов, что приводит к формированию гетеропористой структуры композита (рис. 2) за счет присутствия крупных газовых пор, окруженных мелкодисперсными пено-порами, и уменьшения толщин межпоровых перегородок между газо- и пенопорами. С другой стороны, это связано с заменой части цемента на наноструктурированный модификатор, характеризующийся меньшей плотностью, что способствует снижению средней плотности матричной структуры, т. е. межпоровой перегородки.
Таким образом, в работе предложены принципы получения пеногазобетона неавтоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора силикатного состава и комплексной поризации, заключающейся в оптимизации процессов формирования каркаса ячеисто-бетонной смеси, а также в интенсификации структурообразования цементирующего вещества. Применение комплексной поризации системы, реализованной за счет совместного использования синтетического пенообразователя и активированного алюминия АА—Т/7 в качестве газообразователя, способствует формированию гетеропористой структуры композита. Наноструктурированный модификатор структурирует поровое пространство композита за счет стабилизации пены и равномерного распределения газообразователя в объеме смеси. Все это в совокупности обеспечивает получение ячеистых композитов с высокими теплоизоляционными свойствами при сохранении необходимых прочностных характеристик. При этом введение нано-
agent as well as enhancement of system stability (absence of separation effect). Next is mixing of suspension «activated aluminum АА—Т/7 — NM — water» and cement followed by introduction of foam agent water solution in the system. Final stage is joint mixing of all components to achieve a stable foam concrete paste.
To develop a rational concrete mixes a mathematic experimental design was applied. Property optimization of the mixes was realized by analysis of monographs of the foam-gas concrete physical and mechanical characteristics such as compressive strength, density and thermal conductivity coefficient (Fig. 1). As varied parameter was a content of foam and gas forming agents.
On the basis of the presented monographs on Fig. 1 the optimal mixes of foam-gas concrete meeting requirements of all standards were chosen (Table 2).
It is need to note the foam-gas concrete D400 is characterized by significantly high strength (B1) vs. standard requirements (В0.5). Developed mixes provide improvement of these parameters by two times. In case of foam-gas concrete D500, the grade class is equal to the same values for foam-gas concrete D400. Never the less, real compressive strength of final composite is higher by 1.5 times vs. standard requirements.
Using the complex pore formation of cellular concrete mixture jointly with active modifier, structuring all component in the mixture such as foam, suspension, gas forming agent, cement matrix leads to significant growth in volume of cellular concrete mixture (increase of 30%) and, finally, reducing in density of final products.
Density reducing in final cellular products is connected with introduction of complex pore agent initiated formation of heteroporous structure of composite (Fig. 2) due to large gas pores, surrounded by foam fine pore as well as reducing of thickness of interpore partition between gas and foam pores. On the other hand, this effect is associated with replacement of some cement by nanostructured modifier with lower density, initiating the reduction of average structure density in matrix.
Thus, the principles of non-autoclave foam-gas concrete production with silica nanostructured modifier as well as complex pore formation including the optimization of structure formation of cellular concrete mixture and acceleration of structure formation of cement matrix are suggested.
Complex pore formation consisting of joint usage of foam agent and activated aluminum АА—Т/7 as gas forming agent initiates formation of heteroporous structure in composite. Nanostructured modifier forms a pore space in composite due to foam stabilization and homogeneous distribution of gas forming agent in mixture. The effects above allow obtaining the cellular composites with good thermal properties and required strength characteristics.
Introduction of nanostructured modifier in mixture allows reduction a cost of final products of 30% due to decreas-
f/r- научно-технический и производственный журнал
структурированного модификатора позволяет снизить себестоимость на 30% за счет уменьшения доли цемента в ячеистом бетоне, а использование комбинированного способа поризации позволяет при изменении соотношения порообразующих компонентов получать ячеистый бетон разных марок по плотности с более низкими коэффициентами теплопроводности по сравнению с пенобетоном той же плотности либо при сохранении плотности увеличить объем выхода ячеисто-бетонной смеси.
Список литературы
1. Нелюбова В.В., Буряченко В.А., Череватова А.В. Автоклавный газобетон с использованием нано-структурированного модификатора // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 1. С. 95—96.
2. Нелюбова В.В., Строкова В.В., Алтынник Н.И. Ячеистые композиты автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 44—47.
3. Нелюбова В.В., Строкова В.В., Алтынник Н.И. Ячеистые автоклавные материалы с наноструктури-рованным модификатором. Технология, свойства и особенности: Монография. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2014. 113 с.
4. Нелюбова В.В., Алтынник Н.И., Строкова В.В., Подгорный И.И. Реотехнологические свойства яче-исто-бетонной смеси с использованием нанострук-турированного модификатора // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 2. С. 58-61.
5. Нелюбова В.В., Строкова В.В., Павленко Н.В., Жерновский И.В. Строительные композиты с применением наноструктурированного вяжущего на основе сырья различных генетических типов // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 20-24.
6. Строкова В.В., Сумин А.В., Нелюбова В.В., Шаповалов Н.А. Модифицированное вяжущее с использованием наноструктурированного минерального компонента // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 3. С. 36-39.
7. Дерябин П.П., Косач А.Ф. Применение многофакторного планирования эксперимента при исследовании физико-механических свойств пеногазобето-на // Известия высших учебных заведений: Строительство. 2003. № 8. С. 55-58.
8. Строкова В.В., Бухало А.Б. Пеногазобетон на нано-кристаллическом порообразователе // Строительные материалы. 2008. № 1. С. 38-39.
9. Бухало А.Б., Нелюбова В.В., Строкова В.В., Сумин А.В. Сравнительная оценка газообразовате-лей для производства ячеистого бетона // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С. 42-45.
ing of cement concentration in cellular concrete. Complex pore formation allow production a cellular concrete with different density quality as well as production of composites with lower conductivity coefficient vs. traditional foam concrete parameter (according to Russian Standard 25485—89) or increasing of volume of cellular concrete mixture due to variation of pore agents ratio.
References
1. Nelyubova V.V., Buryachenko V.A., Cherevatova A.V. Autoclave gas concrete with nanostructured modifier. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologi-cheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2010. No. 1, pp. 95—96. (In Russian).
2. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Altynnik N.I. Cellular autoclave composites with nanostructured modifier. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 5, pp. 44-47. (In Russian).
3. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Altynnik N.I. Yacheistye avtoklavnye materialy s nanostrukturirovannym modifi-katorom. Tekhnologiya, svoistva i osobennosti: mono-grafiya [Cellular autoclave materials with nanostructured modifier. Technology, properties and features: monogra-phy]. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2014. 113 p.
4. Nelyubova V.V., Altynnik N.I., Strokova V.V., Podgornyi I.I. Rheological properties of cellular concrete mixture with nanostructured modifier // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2014. No. 2, pp. 58-61. (In Russian).
5. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Pavlenko N.V., Zhernovskiy I.V. Construction composites with nanostructured binder based on genetically different raw materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 2, pp. 20-24. (In Russian).
6. Strokova V.V., Sumin A.V., Nelyubova V.V., Shapovalov N.A. Modified binder with nanostructured mineral component. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2015. No. 3, pp. 36-39. (In Russian).
7. Deryabin P.P., Kosach A.F. Application of multifac-toral experimental design when study of physical and mechanical properties of foam-gas concrete. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2003. No. 8, pp. 55-58. (In Russian).
8. Strokova V.V., Bukhalo A.B. Foam-gas concrete with nanocrystal pore agent. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 1, pp. 38-39. (In Russian).
9. Bukhalo A.B., Nelyubova V.V., Strokova V.V., Sumin A.V. Comparative assessment of gas forming agents for cellular concrete production. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo uni-versiteta im. V.G. Shukhova. 2013. No. 2, pp. 42-45. (In Russian).
Подписаться на электронную версию журнала «Строительные материалы»® Вы можете, прислав в произвольной форме заявку на адрес:
ooorifsm@yandex.ru; mail@rifsm.ru; rifsm@mail.ru
Стоимость одного номера журнала составляет 1000 р. Более подробно о подписке http://rifsm.ru/page/5
