CC BY
21Раздел 2. Современные энергоэффективные конструкции и материалы зданий
ПЕНОВАК - ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН С ПУСТОТЕЛЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ
Владимир Белов, Сергей Гамаюнов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет», Россия, Тверь, наб. Аф.Никитина, д.22.
E-mail: vladim-bel@yandex.ru
Аннотация. Отмечен рост потребности строительной индустрии в новых материалах, в частности, легких бетонах. Рассмотрены особенности производства нового строительного материала Пеновак™ - пенобетона с пустотелым заполнителем. Кратко описана технология производства пустотелого заполнителя на основе торфа и глинистого сырья, и его характеристики. Высокая эффективность нового легкого бетона достигается за счет сочетания в его структуре крупных замкнутых шарообразных пустот, образуемых гранулами заполнителя и мелкопористых прослоек цементного камня.
Ключевые слова: пенобетон, пустотелый заполнитель на основе местного глинистого сырья и торфа.
Введение
В нашей стране жилищный вопрос продолжает оставаться острой социальной проблемой. Задача увеличения объемов ежегодно вводимого жилья на ближайшие десятилетия предопределяет потребность в развитии технологий и создании новых конструктивных систем и строительных материалов.
Наиболее действенным и реальным путем снижения массы несущих и ограждающих конструкций зданий различного назначения является развитие производства конструкций из легкого бетона. Для обычных легких бетонов слитной структуры на крупных пористых заполнителях с природным песком в качестве мелкого заполнителя, в которых цементно-песчаный раствор полностью заполняет пустоты между зернами крупного пористого заполнителя, характерна достаточно большая плотность (1400... 1800 кг/м3), что снижает эффективность их применения, прежде всего в ограждающих конструкциях. Более эффективными по сравнению с легкими бетонами слитной структуры как с точки зрения снижения плотности, так и возможности отказа от дефицитного мелкого пористого заполнителя являются поризованные легкие бетоны, в которых роль мелкого заполнителя частично выполняют мелкие замкнутые поры, получающиеся за счет поризации растворной части с помощью пено- или газообразующих добавок.
Анализ публикаций, материалов, методов
Идея получения поризованных бетонов принадлежит пражскому инженеру Гофману, получившему в 1889 г. патент на изготовление бетонов, пористая структура которых образовывалась за счет выделения углекислого газа при реакции соляной кислоты и гидрокарбоната натрия. В настоящее время пористая структура этим бетонам может придаваться двумя основными путями:
1) газообразованием, когда в сырьевую смесь вводят добавку-газообразователь, в результате газовыделения смесь вспучивается, и после ее отвердевания получают так называемый газобетон;
2) воздухововлечением, когда сырьевую смесь смешивают с отдельно приготовленной пеной
или вводят добавку-пенообразователь
непосредственно в специальный смеситель; в данном случае после отвердевания получают пенобетон.
В качестве добавок-пенообразователей в пенобетонах используют синтетические или белковые ПАВ, способствующие получению устойчивых пен. Эти пенообразователи экологически чистые, химически нейтральные, негорючие и безопасные в применении. При этом пенобетоны отличаются от газобетонов характером своей структуры - замкнутой пористостью с мелкими сферическими порами. Газобетон имеет более крупные поры, поэтому он в большей степени, чем пенобетон, нуждается в защите от воздействий окружающей среды.
Пенобетоны отличаются высокой универсальностью, относительной простотой технологии, невысоким уровнем производственных затрат при изготовлении изделий. Благодаря простоте технологии и применяемого оборудования (исключение из технологического цикла помола сырьевых компонентов в шаровых мельницах и автоклавной обработки), стоимость изделий в 1,5-2 раза ниже, чем стоимость таких же изделий из газобетона. Возможность исключения из технологии пенобетонов тепловой обработки обеспечивает реальность их эффективного применения в монолитном строительстве.
Плотность пенобетона (с использованием в качестве заполнителя мелкого песка естественной дисперсности) обычно находится в пределах 600...1000 кг/м3, а прочность на сжатие 1,5...3,5 МПа (марки 15...35).
Для получения пенобетонов с меньшей средней плотностью с сохранением прочности используют молотые пески, а также ускорители твердения, редуцирующие, водопонижающие и другие добавки. Иногда с целью снижения плотности и исключения операции помола пенобетон получают на цементном вяжущем без песка. Такой материал называют пеноцементом. Однако этот бетон обладает большой усадкой при высыхании, что снижает его качественные показатели. Прекрасной технологической мерой является армирование пенобетона, если его плотность ниже 450 кг/м3. Для армирования используют фибру - короткие волокна
стекловолокна или «каменного волокна». Фибра стабилизирует свойства пеномассы и предохраняет её от усадки и трещинообразования. Эти дополнительные технологические мероприятия препятствуют широкому распространению пенобетона и усугубляются дефицитом высококвалифицированных специалистов. В перспективе наиболее разумным подходом для мелких производителей будет применять готовые сухие смеси для пенобетона, что обеспечит кардинальное улучшение его свойств. В этом случае пенобетонную смесь профессионалы приготовят заранее, причём будут использованы материалы гарантированного качества. Производственникам останется затворить сухую смесь водой согласно инструкции. Однако практическая реализация этой идеи - дело будущего.
В отношении наиболее распространенной продукции - стеновых блоков и камней из пенобетонов - практика показала, что для них достигается оптимальное соотношение между плотностью и теплопроводностью бетона, с одной стороны, и его прочностью и морозостойкостью, с другой. Пенобетонные блоки можно применять в несущих наружных стенах домов малой и средней (до 4-5) этажности, а также в ненесущих наружных стенах многоэтажных зданий при соблюдении приемлемой по конструктивным и экономическим соображениям толщины стен. Пенобетон в конструкции наружных стен может удачно сочетаться с кирпичной облицовкой, а во многих случаях в отличие от газобетона он не требует специальной облицовки и может быть просто оштукатурен или даже только окрашен. Применение пенобетона как материала для облегченных элементов и ограждающих конструкций позволяет обеспечивать современные требования к теплоэффективности жилых домов. Дома из пенобетона позволяют сберегать природные и энергетические ресурсы. Их отличают высокое качество, экономичность в энергопотреблении, невысокие затраты на строительство; они имеют длительные сроки эксплуатации.
Поризованные легкие бетоны на пористых заполнителях представляют собой псевдоплотные материалы, составляющими которых являются крупные пористые заполнители и поризованная растворная часть. При этом пористые заполнители составляют более 80 % объема бетона. Поэтому одной из основных задач в технологии производства этих строительных материалов является снижение насыпной плотности заполнителей, а также повышение эффективности их производства и применения [1].
Существует много видов пористых заполнителей: керамзит, аглопорит, шунгезит, вермикулит, перлит, зола, древесные отходы и т.п., -и способов их производства. В основном такое многообразие обусловлено применяемыми для их изготовления сырьевыми компонентами. В связи с
этим, представляют интерес попытки расширить существующий ассортимент традиционных заполнителей, применяемых для изготовления легких бетонов, за счет новых технологий и дешевых материалов, имеющих надежную, прежде всего, местную сырьевую базу. Создание принципиально нового заполнителя для легких бетонов, который не будет иметь ячеистой пористой структуры -инновационное направление совместного применения торфа и минеральных материалов [2].
Цель и постановка задачи исследований
Традиционно в качестве заполнителя легких бетонов используется керамзит - продукт, получаемый при обжиге легкоплавких вспучивающихся глинистых пород. От качества глинистого сырья во многом зависят свойства получаемого заполнителя. Вспучивающиеся глиняное сырье, пригодное для приготовления керамзита, не часто встречается в природе. Более распространены малопластичные, тощие, запесоченные глинистые породы, суглинки, которые при обжиге не вспучиваются. Поэтому в настоящее время многие предприятия по производству керамзита отмечают значительное ухудшение одной из основных его характеристик - теплопроводности, которая связана с низкой пористостью получаемого заполнителя. Пустотелый заполнитель на основе торфа и глинистого сырья, используемый в данной работе, позволяет существенно продвинуться в решении этой проблемы. Для изготовления разработанного пустотелого заполнителя не требуется высококачественных керамзитовых глин. Он имеет шарообразную форму и состоит из тонкой минеральной оболочки и полой внутренней части.
Производство пустотелого заполнителя на основе торфа и глинистого сырья будет мало зависеть от качества сырьевой базы, но в тоже время позволит получать высококачественную продукцию, которая по некоторым характеристикам будет значительно лучше своих аналогов (керамзита).
Основной раздел с результатами и их анализом
Технология получения заполнителя пустотелого заполнителя на основе торфа и местного глинистого сырья, предлагаемая в данной работе, реализуется при выполнении следующих операций. Из влажного торфа на тарельчатом грануляторе формуются шарообразные гранулы размером 10-15 мм (при желании размер можно изменять в большую или меньшую сторону). На торфяные гранулы наносится тонкий слой (1,5-2 мм) глинистого материала. Затем композиционные гранулы сушатся и подвергаются высокотемпературной обработке -обжигу. При обжиге торфяное ядро выгорает, а глинистая оболочка спекается. В результате получаются пустотелые гранулы, внутри которых находится воздух.
Разнообразные заполнители для бетонов отличаются теми или иными специфическими свойствами и особенностями, обуславливающими область их применения и технико-экономическую эффективность. В то же время они как сыпучие зернистые материалы характеризируются едиными основными показателями качества. Насыпная плотность, пустотность и другие характеристики заполнителя в значительной степени определяются формой его зерен. Наиболее желательной формой зерен заполнителя является шаровидная или приближающаяся к ней. Наиболее эффективны в строительстве заполнители с плотностью до 400 кг/м3. Поэтому нормативные документы ограничивают отклонение от этой формы требованием, чтобы отношение наибольшего размера зерен заполнителя к наименьшему его размеру (коэффициент формы зерен) в среднем не было больше 1,5.
Численные показатели основных свойств разработанного пустотелого заполнителя следующие: насыпная плотность - 390 кг/м3; плотность зерен в сухой сыпучей среде - 661 кг/м3; плотность зерен в цементном тесте - 1390 кг/м3; межзерновая пустотность (без учета открытых пор) -41 %; пустотность с учетом насыщения открытых пор влагой и цементным тестом - 72 %; коэффициент формы зерен - 1,04; водопоглощение по массе - 20 %; прочность при сдавливании в цилиндре - 0,9 МПа.
Новый пустотелый заполнитель
характеризуется большой межзерновой
пустотностью, имеет высокую открытую пористость самих зерен, которые впоследствии будут доступны для насыщения цементным тестом. Это обстоятельство (эффект цементной «обоймы») может оказаться благоприятным для целей упрочнения пустотелого заполнителя. Благодаря этому можно получить достаточно прочные бетоны с разработанным пустотелым заполнителем, несмотря на его исходную сравнительно низкую прочность.
Поризованный бетон на основе разработанного пустотелого заполнителя имеет принципиальное отличие от обычных легких бетонов. Это отличие обусловлено наличием в его составе пустотелого заполнителя, обладающего специфическими свойствами по впитыванию влаги и цементного теста. К этому следует добавить и специфику мелкого заполнителя, в качестве которого вместо песка может быть использована торфяная зола. В связи с этим в методику расчета состава легкого бетона на основе пустотелого заполнителя из торфа и глинистого сырья и торфяной золы в качестве мелкого заполнителя нами заложен принцип получения максимально плотной упаковки зерен на всех структурных уровнях. Следует стремиться к заполнению цементом и водой пустот между частицами торфяной золы и открытых пор в зернах пустотелого заполнителя, а также заполнению пустот между зернами крупного заполнителя объемом золошлаковой смеси. Полученные составы
легкого бетона должны уточняться с помощью специальных методов планирования экспериментов путем варьирования значений исходных компонентов [3].
Состав легкого бетона слитного строения, приготовленного на основе пустотелого заполнителя, торфяной золы и цемента по обычной технологии, в расчете на 1 м3: цемент - 530 кг; торфяная зола - 430 кг; пустотелый заполнитель -320 кг или 0,81 м3; вода - 350 л. Использование обычной технологии бетона, при которой все компоненты смешиваются в одном бетоносмесителе, обуславливает сравнительно высокий расход цемента, что делает данный состав бетона малоэкономичным, и он не может быть рекомендован для практики.
Значительно снизить расход цемента возможно при условии уменьшения поглощения цементного теста открытыми порами зерен пустотелого заполнителя. Это достигается за счет применения новой эффективной технологии бетона, при которой отдельно готовятся связующие в высокоскоростных смесителях-пеногенераторах по собственному режиму и одновременно компонуются смеси заполнителей. В первом случае обеспечивается активация вяжущих и наполнителей в контактных зонах, а также их вспенивание. Смеси заполнителей после раздельного приготовления смешиваются с пеномассой из связующих компонентов. Такое совмещение отдельно приготовленной смеси пустотелого заполнителя с грубодисперсной частью торфяной золы и активной вспененной смеси цемента и тонкодисперсной фракции золы создает условия значительной экономии цемента, улучшения всех технических и экономических показателей бетона. С целью проверки этой гипотезы выполнен предварительный расчет состава бетона, изготавленного по новой технологии.
Исходя из плотности бетонной смеси 1630 кг/м3 получен состав легкого поризованного бетона на пустотелом заполнителе Пеновак™, изготавливаемого по раздельной технологии: цемент - 260 кг; торфяная зола - 530 кг; пустотелый заполнитель - 390 кг или 1 м3; вода - 430 л. Этот состав по расходу цемента является вполне конкурентоспособным по сравнению с известными составами легких бетонов с традиционными заполнителями.
Пеновак™ - легкий бетон с достаточно высокими характеристиками по водо-, паро-, газонепроницаемости и морозостойкости. Высокая эффективность нового теплоизоляционного и стенового материала достигается за счет сочетания в его структуре крупных замкнутых шарообразных пустот, образуемых гранулами заполнителя, и мелкопористых прослоек цементного камня (рисунок). Использование вяжущей части в виде пеномассы препятствует всплытию легких гранул
заполнителя, позволяет частично или полностью исключить песок из состава бетона.
Фотография поризованного бетона (распил) Пеновак™ на основе искусственного пустотелого заполнителя из торфа и местного глинистого сырья
Предлагаемая технология получения легкого бетона не нуждается в использовании тонкомолотого заполнителя, некритична к технологическим режимам изготовления, так как заданная пористая структура целенаправленно достигается за счет получения необходимого размера пустотелых гранул и их смешивания в нужном соотношении, а также варьирования количества и структуры прослоек поризованной вяжущей матрицы при изменении относительного количества пенообразователя и цемента. При этом улучшаются прочностные свойства за счет армирующей роли пустотелых гранул, обладающих прочной оболочкой, концентрация напряжений в которой сводится к минимуму вследствие правильной шарообразной формы.
При разработке технологии бетона Пеновак™ применены топологические принципы формирования оптимальных структур строительных материалов, которые в настоящее время находятся на острие науки о строительном материаловедении [4]. Эти принципы являются основой методик расчета составов бетона Пеновак™ с заданными свойствами.
Применение при изготовлении бетона Пеновак™ разработанных технологических приемов раздельного приготовления бетонной смеси позволяет получить оптимальную структуру строительного материала при сокращении на 100150 кг/м3 расхода цемента по сравнению с традиционными схемами производства легкого бетона. Наличие в бетоне Пеновак™ пустотелого заполнителя правильной формы, заданного размера и в оптимальном количестве определяет отсутствие в контактной зоне концентраций напряжений, что является предпосылкой его армирующего влияния и повышения прочности Пеновака.
Технология производства бетона Пеновак™ с пустотелым заполнителем позволяет выполнять распалубку форм и съем изделий через 24 часа
твердения и гарантирует изготовление нового строительного материала плотностью от 800 кг/м3 (при прочности 1-3,5 МПа) до 1500-1600 кг/м3 (при прочности 10-15 МПа и более).
Выводы
Таким образом, применение разработанного пустотелого заполнителя для изготовления бетона Пеновак™ - поризованного легкого бетона позволяет получать высококачественный строительный материал, отвечающий основным требованиям, предъявляемым к аналогичной продукции. Эффективность производства Пеновака обуславливается расширением сырьевой базы и уменьшением расхода цемента. При строительстве малоэнергоемких домов большое значение имеет разработка эффективных ограждающих конструкций из материала с высокими теплозащитными свойствами на основе местного сырья. Теплофизические характеристики бетона улучшаются за счет снижения средней плотности и обеспечения мелкопористой структуры прослоек цементного камня в нем.
Список литературы
1. Баженов, Ю.М. Технология бетона: учебник/Ю.М. Баженов. М.: Изд-во АСВ, 2011. 528
2. Мисников, О.С. Пустотелый заполнитель для легкого бетона на основе торфа и минерального сырья / О.С. Мисников, С.Н. Гамаюнов // Строительные материалы. 2004. № 5. С. 22-24.
3. Белов, В.В. Модифицированные сухие общестроительные смеси оптимальной гранулометрии / В.В. Белов, М.А. Смирнов // Вестник Тверского государственного технического университета. Тверь: ТГТУ, 2007. Вып. 10. С. 13-17.
4. Белов, В.В. Компьютерное моделирование и оптимизирование составов композиционных строительных материалов / В.В. Белов, В.Т. Ерофеев, И.В. Образцов, А.Н. Бобрышев и др./ Монография. М: Издательство АСВ, 2015. 264 с.
