CC BY
0М.П. Нажуев, ассистент, e-mail: nazhuev17@mail.ru Донской государственный технический университет О.А. Михайлов, мастер участка, e-mail: oamikhaylov@ya.ru ООО «УО Квадро» г. Ростов-на-Дону О.В. Чубатова, инженер лаборатории, e-mail: ola_chubatova@mail.ru ООО «ППК «МОСТ», г. Москва Д.С. Глушков, магистрант, e-mail: glushkov18.04.1996@yandex.ru А.А. Осипова, магистрант, e-mail: a.osipova1999@gmail.com Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
УДК 691.327.333
РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОДБОРУ СОСТАВОВ ПЕНОБЕТОНОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ СТРОЙИНДУСТРИИ
Проведен анализ преимуществ пенобетона в сравнении с другими стеновыми материалами по показателям: назначение, материалоемкость, энергоэффективность, экологичность, огнестойкость, теплопроводность, звукоизоляция, долговечность. Представлены состав и характеристики оборудования технологической линии, спроектированной специально для рассматриваемой технологии. Это позволило получать пенобетонные изделия с расширенной номенклатурой по размерам; снизить общую металлоемкость технологической линии до 30 %; снизить количество ручного труда; увеличить производительность производства; улучшить качество производимой продукции. Далее даются рекомендации по подбору составов пенобетона. Одной из главных задач при этом является рациональное использование всех сырьевых компонентов и технологических возможностей. Подбор состава пенобетона предложено осуществлять расчетно-экспериментальным методом путем последовательных операций. Разработан алгоритм подбора состава пенобетонной смеси. Приведенные сравнительные технико-экономические показатели свидетельствуют о целесообразности выпуска пенобетона по одностадийной резательной технологии с применением турбулентного пенобетоносмеси-теля открытого типа. При высоком уровне рентабельности капитальные вложения окупаются за короткий срок. К определяющим причинно-следственным факторам следует отнести форму и габариты смесителя, форму и размеры активатора, скорость вращения и технологические особенности воздухововлечения. Разработана методика подбора состава пенобетонов с учетом установленных закономерностей влияния водоцементного отношения и концентрации пенообразователя, а также физико-механических и эксплуатационных свойств пенобетона.
Ключевые слова: пенобетон, пенобетонная смесь, подбор состава, технико-экономические показатели, турбулентный пенобетоносмеситель, физико-механические свойства, эксплуатационные свойства.
M.P. Nazhuev, Lecture O.A. Mikhailov, Foreman O.V. Chubatova, Laboratory engineer D.S. Glushkov, Undergraduate A.A. Osipova, Undergraduate
DEVELOPMENT OF PRACTICAL RECOMMENDATIONS FOR THE SELECTION OF FOAM CONCRETE COMPOSITIONS AT THE BUILDING
INDUSTRY ENTERPRISES
The analysis of the advantages of foam concrete in comparison with other wall materials in terms of indicators: purpose, material consumption, energy efficiency, environmental friendliness, fire resistance, thermal conductivity, sound insulation, durability is carried out. The composition and characteristics of the technological line equipment designed specifically for the technology under consideration are presented. This made it possible to obtain foam concrete products with an expanded range of sizes; to reduce the total metal
consumption of the technological line to 30%; reduce the amount of manual labor; increase production productivity; improve the quality of manufactured products. Further, the authors give recommendations on the selection offoam concrete compositions. One of the main tasks in this case is the rational use of all raw materials and technological capabilities. The selection of the composition offoam concrete is proposed to be carried out by the calculation and experimental method by successive operations. An algorithm for selecting the composition of the foam concrete mixture has been developed. The given comparative technical and economic indicators testify to the feasibility ofproducing foam concrete using a single-stage cutting technology using an open-type turbulent foam concrete mixer. With a high level ofprofitability, capital investments are paid off in a short time. The determining causal factors include the shape and dimensions of the mixer, the shape and dimensions of the activator, the rotation speed and the technological features of the air intake. A method has been developed for the selection of the composition of foam concrete, taking into account the established regularities of the influence of the water-cement ratio and the concentration of the foaming agent, as well as the physical, mechanical and operational properties of foam concrete.
Key words: foam concrete, foam concrete mixture, composition selection, technical and economic indicators, turbulent foam concrete mixer, physical and mechanical properties, operational properties.
Введение
Из данных научной литературы известно, что в сравнении с другими стеновыми материалами, такими как керамзитобетон и керамический кирпич, пенобетон выгодно отличается малой материалоемкостью в расчете расхода на толщину стен [1-3]. Для получения той же теплоизоляции достаточно 30 см пенобетона в качестве стенового материала против 75-90 см в случае с керамзитобетоном и 150-180 см - в случае с керамическим кирпичом [2].
Пенобетон, как и другой распространенный вид ячеистого бетона - газобетон, может производиться по различным технологиям: с использованием автоклавов и без их использования. Неавтоклавный пенобетон имеет преимущества перед другими указанными видами ячеистых бетонов. В частности, резко снижаются затраты, направленные на теплоизоляцию стеновых и кровельных конструкций зданий, а также сроки их возведения. Экономится электроэнергия, затрачиваемая на изготовление пенобетона, снижается количество персонала, участвующего в производственном процессе, применяются менее дорогие исходные сырьевые компоненты, отсутствует потребность в использовании дорогостоящего оборудования [4].
Из преимуществ пенобетона следует отметить его негорючесть, которая позволяет применять этот материал для строительства зданий с высокой огнестойкостью. В сравнении с тяжелым бетоном при воздействии высоких температур наблюдается отсутствие растрескиваний пенобетона.
Следующим преимуществом пенобетона стоит назвать его нетоксичность и отсутствие вредных выделений по сравнению с аналогами, такими как изоляционные пластмассовые или минераловатные материалы [5].
Низкая теплопроводность пенобетона обусловлена его ячеистой структурой, которая обеспечивает отсутствие необходимости дополнительной изоляции стеновых конструкций и полов зданий.
Еще одним отличием пенобетона как стенового материала от более плотных аналогов являются его эффективные акустические свойства. Из научной литературы и практики строительства известна способность пенобетона поглощать низкие частоты шума, вследствие чего его применяют для звукоизоляции при возведении жилых, общественных, административных зданий [6].
Очередным преимуществом пенобетона следует назвать высокий показатель долговечности. Известно, что с течением времени его характеристики растут, что выгодно отличает его от минераловатных и пенопластовых изделий [7].
Таким образом, пенобетон характеризуется как экономичный, экологически чистый, долговечный, тепло- и звукоизоляционный материал с высокой огнестойкостью, полностью соответствующий современным нормативным как отечественным, так и зарубежным документам и стандартам качества.
Материалы и методы исследования
Полученные в работе [8-10] результаты были внедрены на некоторых предприятиях стройиндустрии. Характеристики основного технологического оборудования, резательного комплекса и формы металлической универсальной представлены соответственно в таблицах 1-3. Фото применяемого пенобетоносмесителя приведено на рисунке.
Таблица 1
Характеристики основного технологического оборудования
Смеситель турбулентный ПБС-1К
Производительность, м3/ч 12
Мощность электродвигателя, кВт 22
Частота вращения активатора, об./мин 500
Объем смесителя, м3 1,5
Объем готового замеса, м3 1
Габаритные размеры, мм
Длина 1250
Ширина 1360
Высота 600
Масса, кг 800
Рисунок - Турбулентный пенобетоносмеситель Ур = 1м3
Таблица 2
Характеристики резательного комплекса РК-1М
Производительность, м3/ч 12
Мощность электродвигателя, кВт 3
Толщина реза, мм 2
Предельные отклонения реза, мм ±3
Габаритные размеры, мм
Длина 2770
Ширина 3150
Высота 2500
Масса, кг 1780
Таблица 3
Форма металлическая универсальная
Объем, м3 1
Кол-во блоков Зависит от
типоразмера блока
Замки: болт/гайка
Зазоры между бортами и днищами, мм < 0,35
Габаритные размеры, мм
Длина 1200
Ширина 1400
Высота 600
Масса, кг 800
В данной технологической линии используются пенобетоносмеситель и резательный комплекс, бортоснастка, которые были спроектированы специально для этой технологии. Это позволило производителю:
- получать пенобетонные изделия с расширенной номенклатурой по размерам;
- снизить общую металлоемкость технологической линии до 30 %;
- снизить количество ручного труда;
- увеличить производительность производства;
- улучшить качество производимой продукции.
В таблице 4 представлены сравнительные экспериментальные характеристики различных строительных материалов.
Таблица 4
Сравнительные характеристики строительных материалов
Материал стен Плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/м^°С Толщина наружных стен, м при RГeg = 4,27 (м2^°С/Вт)
Пенобетон 400 0,1 0,427
Пенобетон 1200 0,29 1,238
Керамзитобетон 1150 0,27 1,150
Кирпич глин. пустот. 1400 0,41 1,750
Кирпич силикатный 1500 0,64 2,73
Далее даются рекомендации по подбору составов пенобетона. Они сводятся в конечном счете к получению строительных изделий из пенобетона с заданными характеристиками. Одной из главных задач при этом является рациональное использование всех сырьевых компонентов и технологических возможностей.
Результаты исследования
Исходными задаваемыми характеристиками при проведении подбора составов пенобетона будут служить его эксплуатационные показатели, такие как назначение изделий, технологические параметры, условия твердения, и физико-механические характеристики - прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость.
Состав смеси, подбираемый в соответствии с вышеуказанными аспектами, должен обеспечить достижение всех задаваемых параметров - физико-механических и эксплуатационных показателей получаемого пенобетона.
Алгоритм подбора состава пенобетонной смеси состоит из следующих этапов:
- проведение испытаний исходных компонентов с целью определения их физико-механических свойств и проверки их соответствия заявляемым требованиям нормативных документов;
- приготовление пробной смеси в соответствии с технологическими рекомендациями по изготовлению пенобетона;
- корректировка составов по результатам, достигнутым в процессе изготовления, и испытаний полученных контрольных образцов пенобетона.
В случаях, когда имеет место изменение характеристик сырьевых компонентов, производственных условий и условий твердения, требований к готовым пенобетонным изделиям, должны осуществляться корректировка и оптимизация состава смеси.
Дозировку жидких компонентов смеси, таких как вода и пенообразующая добавка, производят по объему, твердые же компоненты - цемент и песок - по массе. Качество пены, получаемой при различных вариантах дозирования исходных компонентов, является индикатором для назначения пропорционального соотношения пенообразующей добавки и воды затво-рения.
Оптимальное значение пропорционального водотвердого отношения (В/Т) определяют по результатам трех замесов пенобетонной смеси. В качестве исходного принимается значение водотвердого отношения, вычисленное при оптимальном соотношении масс песка и цемента. В качестве последующих принимаются значения с отличием на ±0,1 от исходного значения В/Т.
Что касается соотношения воды, пенообразователя и рабочего раствора состава, то оно назначается по результатам контрольных испытаний образцов пенобетона. Необходимо достичь такого состояния, при котором через 1 ч 1 л получаемой пены будет характеризоваться осадкой, не превышающей 10 мм, а отход жидкости будет составлять не более 80 см3. Необходимо увеличивать количество рабочего раствора пенообразователя в случае, если получаемая пена не отвечает вышеуказанным требованиям. Вид и природа конкретного пенообразователя оказывают влияние на его назначаемую концентрацию. Это значение, как правило, варьирует в пределах 0,08-0,15 % по отношению к массе цемента.
Для определения наиболее подходящего состава водного раствора пенообразователя необходимо обратить внимание на показатель коэффициента выхода пены при смешивании водного раствора с цементом или же с цементом и заполнителем. Чем выше показатель, тем больше подходит данный состав водного раствора. Показатель коэффициента выхода рассчитывается по формуле:
Кв =-, (1)
»п ~ир
где ип - объем пены, использованной для получения раствора; ир - объем полученного раствора с учетом вяжущего, заполнителя и воды.
Для повышения устойчивости пены можно добавить в рабочий раствор стабилизаторы: соли железа и алюминия, крахмал, клей, глицерин. Также можно использовать добавки минерализаторов - тонкодисперсные минеральные добавки, например тальк, зола-унос ТЭС, тонкомолотый песок и т.д. Для наглядности можно построить монограмму, которая позволит быстро определить исходные смеси. Для этого необходимо собрать достаточно широкий набор статистических результатов по составу смесей, физико-механических испытаний, а также результатов по промежуточным данным.
Состав пенобетона следует подбирать расчетно-экспериментальным методом с помощью четких, последовательных операций.
1. В соответствии с таблицей 5 необходимо определить соотношение «С» между песком и цементом.
Таблица 5
Оптимальное соотношение между песком и цементом для получения пенобетона различной плотности
Средняя плотность пенобетона, кг/м3 Значение «С»
-0,1 оптимальное +0,1
1200 1,45 1,6 1,75
1100 1,25 1,4 1,55
1000 1,1 1,2 1,3
900 1,0 1,1 1,2
800 0,9 1,0 1,1
700 0,75 0,8 0,9
600 0,35 0,4 0,45
500 - - -
2. Определить водотвердое соотношение (В/Т) смеси по таблице 6.
Таблица 6
Водотвердое отношение
Средняя плотность пенобетона, кг/м3 В/Т
1200 0,32
1100 0,35
1000 0,36
900 0,4
800 0,45
700 0,5
600 0,6
500 0,65
400 0,7
300 0,75
3. Путем экспериментов с учетом результатов по трем замесам определить наиболее подходящую величину В/Т. За нулевое значение принимают величину В/Т, вычисленную в первой серии опытов в результате определения соотношения между песком и цементом. Разница между нулевым значением и оставшимися двумя значениями В/Т должна составлять ± 0,04.
4. Определять состав пенобетонной смеси рекомендуется при температуре 20 ± 2 °С.
5. Необходимое количество цемента на замес рассчитать по формуле:
Ц = --V кг (2)
Ц К • (1+С) '
где рб.сух. - плотность пенобетона в сухом виде (исходная плотность), кг/м3; V - объем замеса, м3; Кс - коэффициент избытка смеси; Кс = 1,1; «С» - отношение песка к цементу. 6. По таблице 7 определить расход пенообразователя.
Таблица 7
Примерная концентрация пенообразователя (По) от массы цемента, %
Средняя плотность пенобетона, кг/м3 Расход пенообразователя по сухому веществу от массы цемента, % Средняя плотность пенобетона, кг/м3 Расход пенообразователя по сухому веществу массы цемента, %
1200 0,008 700 0,087
1100 0,08 600 0,09
1000 0,082 500 0,09
900 0,083 400 0,09
800 0,085 300 0,09
Чтобы определить необходимое количество пенообразователя товарной концентрации, необходимо воспользоваться формулой:
ПО = ^П., (3)
Коб
где ПО - расход товарного пенообразователя на замес заданной плотности в кг; Ц - расход цемента на замес (по формуле 2); По - расход пенообразователя по таблице 7, % от массы цемента; Коб - концентрация товарного пенообразователя по сухому веществу, %.
Заметим, что насыщенность пенобетона на получение 1 м3 рассчитывается в том случае, если по технологии:
1. Определить необходимое количество песка на замес:
П = Ц • С, кг (4)
где Ц - расход цемента, кг; С - соотношение песка к цементу (по табл. 1).
2. Установить количество воды на замес:
В = В/Т (Ц + П), (5)
где В/Т - водотвердое отношение (по табл. 5).
Определить среднюю плотность изготовленной смеси необходимо по формуле:
рсм = Ц + П + В + По. (6)
Выводы
Проведенный анализ закономерностей и найденных результатов дает основания сделать следующие выводы:
Целесообразно производить пенобетон по одностадийной резательной технологии с применением турбулентного пенобетоносмесителя открытого типа. Проанализировано, что капиталовложения окупаются за короткий период при условии высокого уровня рентабельности [6].
Выявлено, что из-за стремительного протекания физико-химических процессов, которые, в свою очередь, позволяют компонентам бетонной смеси распределяться равномерно, процесс воздухововлечения по данной технологии проходит с малозначительными энергетическими и материальными потерями.
Основными причинно-следственным факторами являются форма и размеры смесителя и активатора, скорость вращения и особенности технологии воздухововлечения.
Выделены основополагающие особенности образования пористой структуры с использованием турбулентного смесителя открытого типа по одностадийному способу получения пенобетона.
Выявлена оптимальная технология подбора состава пенобетонов, учитывающая выведенные закономерности влияния водоцементного отношения, концентрации пенообразователя, а также физико-механических и эксплуатационных свойств пенобетона.
Библиография
1. Шахова Л.Д. Технология пенобетона. Теория и практика. - М.: Изд-во АСВ, 2010. - 248 с.
2. Моргун Л.В. Моргун В.Н. Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей // Строительные материалы. - 2003. - № 1. - С. 33-35.
3. Сахаров Г.П. Новая эффективная технология неавтоклавного поробетона // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI века. - 2002. - № 6. - С. 28-29.
4. Перцев В.Т. Управление процессами раннего формирования структуры бетонов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Воронеж: Изд-во ВГАСУ, 2002. - 41 с.
5. Несветаев Г.В. Расчет состава ячеистых бетонов // Популярное бетоноведение. - 2004. - № 2. - С. 75-76.
6. Балясников В.В. Пенобетон на модифицированных синтетических пенообразователях: дис. ... канд. техн. наук. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. - 235 с.
7. Шуйский А.И., Кузнецов С.В. Влияние положения активатора на потребляемую мощность пе-нобетоносмесителем турбулентного типа // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство 2005». - 2005. - С. 52-53.
8. Шуйский А.И., Кузнецов С.В., Стельмах С.А. и др. О влиянии некоторых геометрических параметров пенобетоносмесителя на качество пенобетонной смеси и потребляемую мощность // Вестник ВСГУТУ. - 2020. - № 2 (77). - С. 51-58.
9. Шуйский А.И., Щербань Е.М., Стельмах С.А. и др. О влиянии режимов перемешивания на качество пенобетонной смеси // Вестник ВСГУТУ. - 2020. - № 3 (78). - С. 69-74.
10. Явруян Х.С., ХолоднякМ.Г., Шуйский А.И. и др. Влияние некоторых рецептурно-технологических факторов на свойства неавтоклавного газобетона // Инженерный вестник Дона. - 2015. - № 4.
Bibliography
1. Shakhova L.D. Foam concrete technology. Theory and practice. - M.: Publishing house of ACU, 2010. - 248 p.
2. Morgun L.V. Morgun V.N. The effect of dispersed reinforcement on the aggregate stability of foam concrete mixtures // Building Materials - 2003. - N 1. - P. 33-35.
3. Sakharov G.P. New effective technology for non-autoclaved aerated concrete // Building materials, technologies, equipment of the XXI century. - 2002. - N 6. - P. 28-29.
4. Pertsev V.T. Management of processes of early formation of concrete structure: Extended abstract of Doct. Diss (Engineering). - Voronezh: VGASU, 2002. - 41 p.
5. Nesvetaev G.V. Calculation of the composition of cellular concrete // Popular Concrete Science. -2004. - N 2. - P. 75-76.
6. Balyasnikov V.V. Foam concrete based on modified synthetic foaming agents: Ph.D. thesis in technical sciences. - Belgorod: BSTU named after V.G. Shukhov, 2003. - 235 p.
7. Shuiskii A.I., Kuznetsov S.V. The effect of the activator position on the power consumption by a turbulent foam concrete mixer // Materials of the Intern. scientific-practical conf. "Construction 2005". - 2005. -P.52-53.
8. Shuiskii A.I., Kuznetsov S.V., Stel'makh S.A. et al. On the influence of some geometrical parameters of the foam concrete mixer on the quality of the foam concrete mixture and the power consumption // Vestnik VSGUTU. - 2020. - N 2 (77). - P. 51-58.
9. Shuiskii A.I., Shcherban'E.M., Stel'makh S.A. et al. On the influence of mixing modes on the quality of foam concrete mixture // Bulletin of ESSUTM. - 2020. - N 3 (78). - P. 69-74.
10. Yavruyan Kh.S., Kholodnyak M.G., Shuiskii A.I. et al. Influence of some recipe-technological factors on the properties of non-autoclave aerated concrete // Engineering Bulletin of the Don. - 2015. - N 4.
