CC BY
33УДК 666.973
A.Н. ФИЛАТОВ, канд. техн. наук, Т.Н. ВУДВУД, инженер,
B.А ИВАНЕНКО, канд. техн. наук, Научно-исследовательский институт строительного производства (Киев, Украина)
Поризация сырьевой смеси в технологии ячеистого бетона
Пористая структура в ячеистом бетоне создается путем поризации газом или пеной литой многокомпонентной сырьевой смеси. Пенный и газовый способы поризации применялись еще в 1940—1950-е гг. при разработке научно-технических основ технологии ячеистого бетона автоклавного и неавтоклавного твердения [1—3].
Пенобетон и газобетон очень близки по функциональному назначению в зданиях, технологическим приемам при производстве и совокупности нормируемых технических показателей, однако имеются некоторые отличия в значениях этих показателей. Эти отличия обусловлены преимущественно различным составом сырьевых смесей, особенностями их поризации, а также условиями твердения.
На начальном этапе (1930-1940-е гг.) производство изделий из ячеистого бетона развивалось с применением пенной технологии. Применялись пенообразователи растительного и животного происхождения, которые, имея невысокую пенообразующую способность, недостаточную стойкость пены, замедляли процесс гидратации и твердения цемента, имели короткие сроки хранения, что являлось одной из причин получения бетона с невысокими эксплуатационными показателями.
В 1950—1960 гг. интенсивное развитие в СССР получило производство газобетона автоклавного твердения. Как отмечалось в обзорной информации, в Советском Союзе производство изделий из ячеистых бетонов до 1950 г. базировалось в основном на использовании пенообразователей. После 1950 г. все новые заводы строились, как правило, для производства газобетонных изделий на алюминиевой пудре [4].
Приоритетное развитие технологии газобетона привело к созданию в последующие десятилетия высокопроизводительных конвейерных формовочно-резатель-ных линий, обеспечивающих изготовление изделий с машиностроительной точностью по форме и размерам, их технические показатели обеспечивают долговечность строительных конструкций не менее 50 лет.
Энергосберегающие свойства ячеистого бетона обусловливают постоянное увеличение его производства примерно на 5 млн м3/г [5], ежегодный мировой выпуск ячеистого бетона приближается к 50 млн. м3.
При этом актуальными остаются вопросы оптимизации процесса формирования пористой структуры ячеистого бетона.
Газовая поризация сырьевой смеси заключается во введении в усредненную многокомпонентную сырьевую смесь тонкодисперсной газообразующей добавки (пудра алюминиевая), в результате химической реакции происходит образование мелких пузырьков газа — водорода. В процессе газообразования, вспучивания и схватывания смеси формируется пористая макроструктура бетона.
Основным преимуществом газовой поризации является отсутствие отрицательного влияния газообразова-
теля на процесс гидратации и твердения вяжущего, технологическая совместимость со всеми видами вяжущих, применяемых при производстве ячеистого бетона, — цементным, известково-песчаным, золошлаковым, щелочным и смешанным. Газовая поризация применима в технологии холодных (начальная температура 20—30оС) и горячих (начальная температура 35—60оС) сырьевых смесей. Преимущество горячих смесей заключается в значительной интенсификации процессов вспучивания и схватывания, а также роста пластической прочности сырца, что позволяет существенно сократить продолжительность выдержки массивов до резки на изделия и соответственно, производственного цикла в целом. Процессом газовой поризации смеси в определенной мере можно управлять путем изменения начальной температуры и щелочности смеси, содержания воды (В/Т), а также применением вибрационных или ударных воздействий на смесь. Кроме того, газовая поризация позволяет вводить в сырьевую смесь некоторые добавки, регулирующие скорость газообразования и гидратации вяжущих, а также рост пластической прочности сырца и конечной прочности бетона. В процессе взаимодействия алюминия со щелочным компонентом Са(ОН)2 в смеси образуются гидроалюминаты, которые при автоклавной обработке переходят в гидроалюмосиликаты кальция, аналогичные тем, что образуются при твердении цемента.
Следует отметить, что газовой поризации свойственно образование в сырце, а затем и в бетоне открытых микропор и капилляров, которые в условиях эксплуатации могут заполняться водой и ее парами. Они образуются в результате выделения из твердеющего массива-сырца водорода и паров воды в период выдержки до резки. В процессе автоклавной обработки некоторая часть капилляров «залечивается», а часть остается открытой, что в определенной мере понижает эксплуатационные показатели бетона.
Пенная поризация сырьевой смеси заключается во введении в усредненную смесь воздушных пузырьков пены, которую получают из водного раствора пенообразователя заданной концентрации или при интенсивном перемешивании смеси с раствором пенообразователя [6]. Пенная технология реализуется в производстве применением двух основных схем — раздельной и совместной.
При раздельной схеме сырьевая смесь усредняется в смесителе с последующей подачей в смеситель заданного объема пены, приготовленной в пеногенераторе, затем смесь и пена перемешиваются до получения однородной пеносмеси. Во время перемешивания цельный пространственный каркас пены разделяется на отдельные пузырьки или небольшие агрегаты из нескольких пузырьков, которые равномерно распределяются в объеме смеси. Образованные пенные поры заполнены воздухом и парами воды, внутренняя поверх-
Сжатый воздух
г±£г
/ / / /
Рис. 1. Технологическая схема совместного приготовления пеносмеси: 1 - бетоносмеситель; 2 - растворонасос; 3 - компрессор; 4 - емкость рабочего раствора пенообразователя; 5 - поризатор; 6 - участок заливки
ность пор покрыта воздухонепроницаемой пленочной оболочкой, что обеспечивает их устойчивость в поризо-ванной смеси на более длительный период, чем газовых. Разрушение пенных пузырьков, уменьшение объема пены во время перемешивания и схватывания смеси должно быть минимальным. При нарушении целостности пенных пузырьков химическим или механическим путем содержащиеся в них воздух и пары воды выходят в атмосферу, образованная пространственная структура смеси частично повреждается или полностью разрушается.
Совместный способ пенной поризации смеси заключается в приготовлении сырьевой смеси заданного состава и последующей ее подаче в аэромеханический поризатор. Одновременно со смесью в поризатор подается рабочий раствор пенообразователя и сжатый воздух. Образованная в результате интенсивного перемешивания и воздухововлечения пеносмесь непрерывным потоком по гибкому шлангу подается в форму (изготовление мелкоштучных изделий) или на участок заливки (устройство монолитных элементов зданий). Реализация такой схемы показана на рис. 1 [7]. Приготовление смеси и формование выполняется в непрерывном или циклическом режиме с учетом объема и специфики производства. Высота заливки пеносмеси в форме или монолитном слое соответствует проектным размерам изделия (слоя), поэтому смесь в период схватывания и начального твердения не должна давать осадку. Это требование выполняется при условии устойчивости пенных пузырьков в период заливки смеси и начального схватывания цемента. При замедленном схватывании цемента и нарушении устойчивости пены смесь может давать осадку.
Совместный способ приготовления пеносмеси реализуется с применением различных смесеприготови-тельных установок, одни из которых работают при атмосферном давлении [8, 9] (воздухововлечение), другие — при избыточном давлении воздуха [10—13] (баро-технология). Особенность баротехнологии заключается в том, что на первой стадии сырьевая смесь перемешивается при атмосферном давлении, а затем при избыточном давлении воздуха. Воздух, защемленный в пен-
ных пузырьках, находится в сжатом состоянии. При последующем снижении давления до атмосферного в период выгрузки и заливки смеси воздушные пузырьки, увеличиваясь в объеме, дополнительно обжимают и уплотняют смесь в межпоровых перегородках, что обусловливает повышение прочности и других эксплуатационных показателей бетона.
Макроструктура пенобетона, полученного как раздельным, так и совместным способом, имеет некоторые особенности в сравнении с газобетоном. В пенобетоне больший объем закрытых пор, преобладают поры меньших размеров, выше плотность межпорового материала, что создает технологические предпосылки для снижения плотности, капиллярного подсоса, водопо-глощения бетона и повышения его прочности и морозостойкости.
Пенная поризация смеси на данном этапе развития более ограничена в применении, чем газовая. Это связано с тем, что пенообразователи и получаемая из них пена недостаточно устойчивы в щелочных сырьевых смесях при повышенной температуре смеси, а как поверхностно-активные вещества (ПАВ) они существенно замедляют процесс гидратации и твердения цемента. При недостаточной технологической совместимости пенообразователя с цементом происходит частичное разрушение пены во время ее перемешивания со смесью, при этом снижение выхода пеносмеси может составлять от 5 до 20% в зависимости от вида цемента и пенообразователя. На производстве такое уменьшение объема пеносмеси при перемешивании компенсируется введением большего объема пены, что приводит к увеличению расхода пенообразователя. Повышение же содержания пенообразователя в пеносмеси сопровождается усилением его отрицательного влияния на процессы схватывания и твердения цемента, что ведет к снижению прочности пенобетона. При полной технологической несовместимости пенообразователя и цемента введенная в смесь пена интенсивно разрушается, а освобожденный воздух уходит в атмосферу (наблюдается эффект «кипения»). К этому следует добавить, что некоторые пенообразователи, положительно зарекомендовавшие себя в других технологиях (флотация, по-
Г^ научно-технический и производственный журнал
М ® ноябрь 2012 29~
Вода
Цемент
Песчаный шлам
ИП8__
+
Раствор ПО
В
Вода
I
Сжатый воздух
Пенообразователь
100 50
..0
/1 Заливка смеси Вспучивание Схватывание,твердение
Т-ТТ-Мл г-Г л ХГГмТ-
1
2
3
5
4
6
Рис. 2. Приготовление ячеисто-бетонной смеси с использованием газопенной поризации: 1 - смеситель; 2 - дозаторы сырьевых компонентов; 3 - пеногенератор; 4 - центробежный насос; 5 - емкость рабочего раствора пенообразователя; 6 - формы
жаротушение, пылеподавление, стирка и др.), малопригодны для изготовления пенобетона. Это необходимо учитывать разработчикам технологии, изготовителям пенобетонных изделий и поставщикам пенообразователей, чтобы не допускать ненужной компрометации пе-нобетонной технологии.
Учитывая положительные и отрицательные стороны пенной и газовой поризации смеси, актуальной и перспективной задачей является совмещение двух способов поризации в один технологический процесс с целью использования положительных эффектов каждого способа. Целесообразно газовую поризацию в производстве автоклавного газобетона дополнить пенной (газопенобетон), а в производстве неавтоклавного бетона пенную поризацию дополнить газовой (пеногазо-бетон).
Научно-технические предпосылки применения воз-духововлекающих и пенообразующих добавок в технологии ячеистого бетона автоклавного твердения созданы еще в 1960—1970 гг., но широкого применения в производстве по ряду технических и экономических причин они не получили.
Так, в работах [14, 15] исследован процесс пориза-ции сырьевой смеси за счет воздухововлечения при интенсивном перемешивании компонентов. В работе [16] исследовано влияние добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) на процесс мокрого помола песка в шаровых мельницах.
В последующих работах А.П. Меркина [17, 18] теоретически обосновано формирование структуры ячеистого бетона микро- и макропорами разных размеров при их заданном объемном соотношении. Установлены закономерности перехода форм укладки пор при последовательном повышении степени поризации смеси от произвольной к кубической, потом к гексагональной с простыми или двойными пространственными решетками.
Указанные теоретические разработки были опробованы в лабораторных условиях (МИСИ им. Куйбышева, НИИСМИ, Киев), а потом реализованы в производственных условиях Белгород-Днестровского ЭЗЯБиИ.
На основании полученных результатов разработана технология трехстадийной поризации сырьевой смеси, включающей две пенные и одну газовую [19]. Первая стадия происходит путем поризации песчаного шлама в мельнице мокрого помола за счет воздухововлечения. С технологической водой в мельницу вводится разбавленный раствор сульфонола (концентрация 0,02— 0,03%); расход сульфонола составляет 100—150 г/т песка. На второй стадии сырьевая смесь поризуется за счет воздухововлечения при интенсивном перемешивании сырьевых компонентов в смесителе СМС-40Б с добавкой раствора сульфонола, вводимого с водой за-творения. На последней, третьей стадии смесь поризу-ется в форме в результате газообразования. В смеси последовательно образуются пенные и газовые пузырьки разных размеров. Под действием увеличивающихся газовых пузырьков пенные пузырьки постепенно занимают упорядоченное положение в формирующихся перегородках и между газовыми пузырьками. В последующий период схватывания и начального твердения смеси происходит фиксация сформированного пространственного каркаса и образование ячеистой структуры с закономерно повторяющимся расположением элементов — микро-, макропор и межпоровых перегородок. В образованной структуре более крупные газовые поры окружены оболочкой из более стойких мелких пенных пор двух порядков, что обеспечивает повышенную устойчивость поризованной системы после вспучивания.
С применением трехстадийной поризации сырьевой смеси в 1980-е гг. на Белгород-Днестровском заводе впервые были изготовлены партии теплоизоляционных изделий из автоклавного ячеистого бетона плотностью 200—250 кг/м3 [20, 21]. Ячеисто-бетонные массивы объемом 5,2 м3 и высотой 0,6 м формовались в оснастке со съемными бортами; транспортировка, разрезка массива на изделия выполнялись на поддоне.
В последующие годы разработанная технология использовалась при изготовлении звукопоглощающих плит «Силакпор» из бетона плотностью 300—350 кг/м3 [22], а также крупных и мелких блоков, плит покрытий и пере-
5 6 4 1 9
\ Л \ \ 1 \
8 2
9 7
Сжатый воздух
3
3
Раствор ПО
Рис. 3. Пеногенератор аэродинамического действия: 1 - камера смешивания; 2 - камера диспергирования; 3 - сеточная перегородка; 4 - форсунка; 5 - патрубок сжатого воздуха; 6 - патрубок раствора ПО; 7 - пеновод; 8 - мелкозернистый наполнитель; 9 - упруговолокнистый материал
крытий для строительства усадебных и 5-этажных жилых домов серий 126 и 144 [23]. При этом средний расход алюминиевой пудры составлял 380—420 г/м3, а по показателям плотности и прочности бетона завод в тот период занимал лидирующее положение в отрасли.
В настоящий период в связи с развитием производства неавтоклавного пенобетона созданы технические предпосылки совмещения газовой и пенной поризации сырьевой смеси в одном технологическом процессе.
Рис. 4. Испытания газопенной технологи в заводских условиях: 1 - пеногенератор; 2 - емкость раствора пенообразователя; 3 - шланг подачи пены; 4 - смеситель СМС-40Б
Рис. 5. Структура ячеистого бетона, полученого с использованием разных способов поризации: а - газобетон; б - пенобетон; в - газопенобетон
Наличие новых синтетических пенообразователей, которые достаточно устойчивы в щелочных смесях, и компактных, высокопроизводительных пеногенераторов позволяет дополнить процесс приготовления газобетонной смеси пенной поризацией, а процесс приготовления пеносмеси неавтоклавного бетона — газовой по-ризацией. Такое взаимодополнение традиционных процессов позволяет усилить положительные эффекты каждого способа поризации, повысить технологические свойства смеси и эксплуатационные показатели бетона при одновременном снижении общего расхода поро-образователей.
Применение пенной поризации на предприятиях автоклавного газобетона требует внесения некоторых изменений в процесс приготовления ячеисто-бетон-ной смеси. Они заключаются в установке пеногенера-тора, емкости для приготовления рабочего раствора пенообразователя, насоса для его подачи в пеногене-ратор, трубопровода для подачи сжатого воздуха. Технологическая схема приготовления ячеисто-бе-тонной смеси с использованием пенообразователя и газообразователя показана на рис. 2. В смеситель последовательно дозируются вода, шлам, цемент, известково-песчаное вяжущее, суспензия алюминиевой пудры; компоненты непрерывно перемешиваются. Затем в пеногенератор одновременно подается сжатый воздух (давление 0,35—0,4 МПа) и доза рабочего раствора пенообразователя. Образующаяся в пе-ногенераторе пена по гибкому шлангу поступает в смеситель, где перемешивается со смесью 90—150 с. Затем поризованная пеной смесь выливается в форму, где происходит ее последующее вспучивание на заданную высоту.
Для получения пены используются пенообразователи, устойчивые в известково-цементной смеси с температурой 40—60оС. При выполнении лабораторных исследований и производственных испытаний применены пенообразователи «Пеностром», «АРЕКОМ», «ТЭАС». Пену готовили из рабочего раствора пенообразователя концентрацией 3—4,5%, в пеногенератор раствор подается центробежным насосом при давлении 0,15—0,2 МПа. Производительность пеногенератора, кратность образующейся пены, расход рабочего раствора пенообразователя регулируются с помощью запорной арматуры и контрольных приборов, путем изменения давления и расхода сжатого воздуха.
Расход пены, ее кратность и продолжительность перемешивания принимаются с учетом плотности бетона,
научно-технический и производственный журнал
М ® ноябрь 2012 3?
свойств цемента и извести, влияния пены на технологические показатели смеси и массива. На начальной стадии производственных испытаний технологичность процесса оценивается по сохранению объема пены при перемешивании и формовании, по отсутствию выхлопов газа и осадки смеси, изменению продолжительности выдержки массивов до резки на изделия. Устойчивость пены в сырьевой смеси при перемешивании определяется по увеличению объема смеси, вылитой в форму (начальная высота смеси в форме). Объем вводимой в смесь пены может составлять от 20—25 до 35—40% от общей поризации и зависит от свойств пенообразователя, вяжущих материалов и конкретных условий производства.
Производственная проверка разработанной технологии приготовления сырьевой смеси выполнена на Обуховском заводе пористых изделий (Киевская обл.). Пену кратностью 30—35 единиц готовили в пеногенера-торе аэродинамического действия (рис. 3), установленном непосредственно на корпусе смесителя СМС-40Б (рис. 4). Выпущена партия ячеистого бетона плотностью 550—620 кг/м3 в объеме 25 м3. Технические показатели полученного бетона на 15—20% выше, чем по традиционной технологии. Структура ячеистого бетона, полученного с помощью разных способов поризации, показана на рис. 5.
Выполненные промышленные испытания подтвердили возможность совмещения двух способов пориза-ции в один технологический процесс приготовления ячеисто-бетонной смеси, улучшения технологических показателей сырьевой смеси и повышения эксплуатационных показателей бетона.
Разработанные режимы приготовления сырьевой смеси с применением газопенной и пеногазовой пори-зации в технологии ячеистого бетона автоклавного и неавтоклавного твердения защищены патентами Украины: «Способ приготовления ячеистобетонной смеси № 59552А», «Способ приготовления пенобетон-ной смеси № 12608», «Способ получения ячеисто-бетонной смеси № 16821», «Способ приготовления ячеисто-бетонной смеси для получения газопенобетона автоклавного твердения № 85758».
По результатам лабораторных исследований и производственных испытаний подготовлены рекомендации по применению газопенной поризации смеси в производстве изделий из ячеистого бетона автоклавного и неавтоклавного твердения.
Ключевые слова: ячеистый бетон, пенообразователь, газопенобетон.
Список литературы
1. Кривицкий М.Я., Волосов Н.С. Заводское изготовление изделий из пенобетона и пеносиликата. М.: Стройиздат, 1958. 159 с.
2. Горяйнов К.Э. Газозолобетон и газозолосиликат. М.: МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1959, 32 с.
3. Горяйнов К.Э. и др. Крупные газобетонные стеновые блоки. Л.: Госстройиздат, Ленингр.отделение, 1959. 104 с.
4. Земцов Д.Г., Меркин А.П. и др. Технология производства изделий из ячеистых бетонов в СССР и за рубежом. Обзор. ЦНИИТЭСТРОМ МПСМ СССО, 1966.
5. Autoclaved aerated concrete (AAC)— the story of a low-weight material / Bo G. Hellers, Bo R. Schmidt // 5th International Conference on Autoclaved Aerated Concrete «Securing a sustainable future» to be held at
Bydgoszcz to celebrate 60 years of AAC experience in Poland. Рр. 63-68.
6. Шахова Л.Д., Балясников В.В. Пенообразователи для ячеистых бетонов. Белгород, 2002. 147 c.
7. Мариуц С. О теплой и надежной крыше // Будмайстер. 2005. № 17. С. 28-29.
8. Мартыненко В.А. Основные требования к свойствам пенообразователей для производства пенобетона раздельным способом // Строительные материалы и изделия. 2001. № 3. С. 32-34.
9. Большаков В.И., Мартыненко В.А. Технологические аспекты развития производства мелкоштучных блоков из ячеистого бетона неавтоклавного твердения // Вюник ПДАБА. 2001. № 11. С. 6-12.
10. Удачкин И.Б. и др. Новый способ получения ячеистого бетона. // Промышленность автоклавных материалов и местных вяжущих. 1983. Сер. 8. Вып. 6. С. 36-37.
11. Ковальчук Ю.Г., Купченко О.О. Баротехнология: Развитие и перспективы // Строительные материалы и изделия. 2005. № 3. С. 15-18.
12. Удачкин И.Б. Новая технология безавтоклавного пенобетона для жилищного строительства // Строительные материалы и изделия. 2001. № 1. С. 6-8.
13. Удачкин И.Б. и др. Турбулентная технология пенобетона. // Строительные материалы и изделия. 2005. № 2. С. 12-15.
14. Мирецкий Ю.И. Предварительная поризация растворной массы при изготовлении газобетона. В кн.: Материалы 4-й конференции по ячеистым бетонам. Пенза, 1969. С. 459-464.
15. Меркин А.П. и др. Предварительная поризация массы в технологии теплоизоляционных материалов. В кн.: Ячеистые бетоны. Вып. 1. Л.: ЛЕНЗНИИЭП, 1968. С. 74-85.
16. Таубе П.Р. Некоторые особенности технологии ячеистых бетонов в связи с применением поверхностно-активных веществ. В кн.: Материалы третьей конференции по ячеистым бетонам. Саратов - Пенза: Приволжское книжное издательство, 1969. С. 5-9.
17. Горлов Ю.П., Меркин А.П. Устенко А.А. Технология теплоизоляционных материалов. М.: Стройиздат, 1980. 399 с.
18. Меркин А.П., Кобидзе Г.Е. Особенности структуры и основы технологии получения эффективных пено-бетонных материалов // Строительные материалы. 1988. № 2. С. 16-18.
19. Меркин А.П., Зейфман М.И., Филатов А.Н. Трех-стадийная поризация ячеисто-бетонной смеси в производстве теплоизоляционного ячеистого бетона // Реферативная информация ВНИИЭСМ МПСМ СССР. Сер. Промышленность автоклавных материалов и местных вяжущих. Вып. 4. С. 15-17.
20. Меркин А.П. и др. Теплоизоляционный ячеистый бетон для облегченных строительных конструкций // Строительные материалы. 1979. № 11. С. 14-16.
21. Меркин А.П., Филатов А.Н. Принципы формирования ячеистой структуры суперлегких строительных материалов // Бетон и железобетон. 1985. № 5. С. 20-21.
22. Филатов А.Н., Филатова Р.П. Опыт производства плит «Силакпор» на Белгород-Днестровском экспериментальном заводе ячеистых бетонов и изделий // Сборник трудов ВНИИтеплоизоляция. Вильнюс: 1977. С. 37-40.
23. Троцко Т.Т., Филатов А.Н., Новацкая Л.А. Отработка технологии производства несущих конструкций из ячеистого бетона для жилых домов серии 126 на Белгород-Днестровском ЭЗЯБиИ. - Реф. инф. ВНИИЭСМ. Пром. автоклавных и местных вяжущих, 1980. Вып. 7. С. 11-13.
