CC BY
34УДК 691.327.333
А.Ш. КАСУМОВ, инженер (kasumov@yandex.ru), Е.Г. ВЕЛИЧКО, д-р техн. наук (pct44@yandex.ru)
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Разработка рациональных параметров компонентов состава пенобетона
Продолжается серия статей, посвященных профессору Г.И. Горчакову, развитию его концепции зависимости структуры, пористости и свойств строительных материалов от состава. Теоретически обосновывается разработка пенобетона повышенного качества с маркой по средней плотности D400. Это достигается за счет применения в его составе пенообразователей большой кратности пены и с высоким коэффициентом использования, многокомпонентных модификаторов минеральной и химической природы. Особое внимание уделено получению рациональных параметров компонентов благодаря трехуровневой оптимизации дисперсного состава пенобетона. Авторы анализируют комплексное использование модификаторов из микрокремнезема, суперпластификатора, ускорителя твердения, тонкодисперсного шлака и модификатора группы МБ. Показано, что трехуровневая оптимизация требуется для обеспечения действия модификаторов с эффектом синергизма для увеличения прочности, снижения усадки и теплопроводности пенобетона.
Ключевые слова: пенобетон, оптимизация дисперсного состава, минеральные и химические модификаторы, пористость, кратность пены.
E.G. VELICHKO, Doctor of Sciences (Engineering) (pct44@yandex.ru), A.Sh. KASUMOV, Engineer (kasumov@yandex.ru) National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Development of Rational Parameters of Components of Foam Concrete Composition
A series of articles, devoted to Professor Gorchakov, development of his concept about the dependence of the structure, porosity and properties of building materials on the composition continues. The development of the foam concrete of higher quality with a grade of average density of D400 is theoretically substantiated. This is achieved through the use of a foaming agent with high-expansion foam and a high coefficient of application, multi-component modifiers of mineral and chemical nature in its composition. Special attention is paid to obtaining the rational parameters of components due to the three-level optimization of the disperse composition of the foam concrete. The authors analyze the complex application of micro-silica modifiers, super-plasticizer, hardener, fine-disperse slag, and modifier of MB group. It is shown that the three-level optimization is needed for ensuring the action of modifiers with synergy effect for improving the strength, reducing the shrinkage and heat conductivity of the foam concrete. Keywords: foam concrete, optimization of disperse composition, mineral and chemical modifiers, porosity, foam expansion ratio.
27 июня 2016 года отмечалось 100-летие со дня рождения Григория Ивановича Горчакова (27 июня 1916 — 24 июня 2002) — доктора технических наук, профессора, лауреата Государственной премии СССР. Важной научной концепцией проф. Г.И. Горчакова была функциональная взаимозависимость состава, структуры и свойств строительных материалов и фундаментальное исследование их пористости.
Данная публикация продолжает серию статей [1], посвященных выдающемуся ученому проф. Григорию Ивановичу Горчакову, который в течение 21 года (в период с 1968 по 1989 г.) был заведующим одной из ведущих кафедр МИСИ им. В.В. Куйбышева — кафедры строительных материалов.
Пористость ячеистых бетонов определяется содержанием пор, размерами, их равномерным распределением в объеме материала. Общую пористость образуют макропоры, капиллярные поры, контракционные и ге-левые поры. Макропорами, или воздушными, Г.И. Горчаков называет поры с размерами более 5-10-5 м. К капиллярным он относит поры с диаметром от 1 • 10-7 до 5-10-5 м, а к гелевым — с диаметром менее 1 • 10-7 м.
В своей последней статье, которая вышла уже после его смерти, Г.И. Горчаков [2] отмечал возможность создания строительных материалов на основе портландцемента с функционально заданными свойствами.
Разработка пенобетона повышенного качества, в том числе низких марок по средней плотности, может быть связана с применением в его составе:
— пенообразователей большой кратности пены и высоким коэффициентом ее использования;
— многокомпонентных модификаторов, стабилизирующих структуру пены и пенобетона в целом.
Выбор состава комплекса модификаторов должен осуществляться с учетом обеспечения пролонгированного их действия с эффектом синергизма в формирова-
нии свойств пенобетона: прочности, деформативности, морозостойкости, коррозионной стойкости и др.
Параметры пенобетона, обеспечивающие его высокое качество, могут быть получены при условии создания тонкодисперсной ячеистой структуры с порами размером 0,1—0,5 мм и при наличии плотной и высокопрочной матрицы, образованной из компонентов с оптимальными дисперсностью и содержанием частиц, в том числе аморфного строения. Создание пенобетона означенного качества обеспечивает не только высокие физико-механические свойства, но и низкую теплопроводность. Пенобетоны такого вида можно получить, например, применением тонкодисперсного доменного гранулированного шлака с оптимальными параметрами [3], микрокремнезема и других модификаторов, повышающих их теплофизические свойства. Так, например, тонкодисперсный доменный гранулированный шлак с оптимальной дисперсностью имеет удельную поверхность на 140—150 м2/кг больше, чем портландцемент. При использовании в составе пенобетона шлака означенной дисперсности в количестве 30—40% наблюдается уменьшение объема пустот между частицами многокомпонентной системы на 3—5%, что повышает прочность на 25—40% за счет более плотной упаковки, а также снижает коэффициент теплопроводности матрицы на 13—15%. При этом частицы тонкодисперсного шлака распределяются в основном в пустотах между частицами портландцемента [3].
Важным фактором получения пенобетона высокого качества является применение эффективных пенообразователей и технологических приемов. Это обеспечивает высокую устойчивость пены и пенобетонной смеси. Для получения устойчивой пены необходимо, чтобы пленка была не только упругой, но и имела высокую поверхностную вязкость. Повышенная вязкость уменьшает скорость стекания пленки на границу Плато [4]. По
научно-технический и производственный журнал f ptyj f ^дjjijJJljlrf
август 2016 ni ®
iv ■ V*
a ■ ■ ■
шттжщхжЩI
Qfaf Pfrngb^Tpn S
10ЛЭ2Л6 tQW
Макроструктура (а) и микроструктура (б) пенобетона марки по средней плотности D400 (состав 6, из таблицы) после ТВО в возрасте 28 сут
этой причине представляется целесообразным использование в пенобетонной смеси различных типов стабилизаторов. Наиболее эффективными стабилизаторами могут быть высокодисперсные минеральные компоненты, препятствующие стеканию жидкости с поверхности пленки [3]. Дисперсность минеральных стабилизаторов пен должна быть максимально большой для придания ей псевдотвердого состояния в пенобетонной смеси. Это повысит упругость и устойчивость пленки и будет препятствовать стеканию жидкости на границу Плато. Поэтому высокодисперсный микрокремнезем с пустот-ностью 60—72% является эффективным стабилизатором пены в пенобетонной смеси. Кроме того, взаимодействие микрокремнезема с гидроаксидом кальция понижает рН жидкой фазы. Это значительно уменьшает возможность карбонизации и величину одноименной усадки материала.
Стекание жидкости пленки на границу Плато приводит к интегральному снижению прочности за счет образования в пенобетоне микрообъемов пониженной прочности с повышенным значением В/Ц. Следовательно, такие микрообъемы являются центрами разрушения. Необходимо также отметить, что почти все пенообразователи замедляют твердение цементных систем, ухудшают качество гидратных фаз, снижая их прочность.
Очевидно, что основными свойствами пены, которые влияют на строительно-технические свойства (СТС) пенобетона, являются кратность пены (КП) и коэффициент использования пены (КИП). Для высококачественного пенобетона необходимо применять пенообразователи с максимальной кратностью, которая обеспечивает минимальное содержание пенообразователей в бетоне. Поэтому двухстадийная технология приготовления пенобетона наиболее эффективна. Она позволяет снизить содержание воды и пенообразователя в бетонной смеси и повысить СТС пенобетона. Значение КИП рекомендуется принимать равным 0,8, но на практике он равен от 0,55 до 0,78. Выбор пенообразователей, стабилизаторов пены, структурообразующих компонентов, существенно улучшающих структуру и свойства пенобетона, является проблемой.
Улучшение деформативных свойств пенобетона может быть достигнуто за счет алюмосодержащих компонентов в виде метакаолина с добавкой гипса, а также его модификаций с микрокремнеземом, суперпластификатором и гипсом, с условным наименованием группы модификаторов типа МБ. Эффект действия этой группы основан на образовании эттрингита, который компенсирует в различной степени контракционную и влажност-ную усадку цементного камня и пенобетона в целом.
Метакаолин с дисперсностью 1500 м2/кг превышает дисперсность портландцемента почти в 5 раз. При использовании его в количестве 15—20% от массы многокомпонентного цемента дополнительно уменьшает объем межчастичных пустот на 3—4%. Объем межчастичных пустот портландцемента в уплотненном состоянии составляет 55—60%, многокомпонентного цемента — 52—55%, что больше 48% объема пустот простой кубической упаковки. В ней размер частицы, которая заполняет пустоту между частицами, составляет 0,41 диаметра предыдущей частицы. По данным [3—5], размер первичных (цементных) частиц матрицы должен быть больше в 2,44 раза. Поэтому в каждой межчастичной пустоте распределяются одна или две частицы метакао-лина со средним размером 3—5 мкм. Пуццоланическую активность метакаолина в цементных системах отмечают авторы работ [6—13].
В настоящей статье выявлены три уровня достижения рациональных параметров компонентов состава, т. е. их оптимизации. Модификация структуры пенобетона была проведена за счет применения химических и минеральных добавок-модификаторов. В роли химического модификатора пластифицирующего действия был использован суперпластификатор С-3 в количестве 0,6%, а также ускоритель твердения «АС» в количестве 0,07% от массы цемента. В качестве минеральных модификаторов — тонкодисперсный шлак Новолипецкого металлургического комбината с удельной поверхностью на 140—150 м2/кг больше, чем у портландцемента. Введение тонкодисперсного шлака составляет первый уровень оптимизации состава пенобетона — его рационального дисперсного состава. Размеры частиц тонкодисперсного шлака позволяют им распределяться в пустотах между частицами цемента [3, 14].
Использовался модификатор бетона Б-П-2 (ГОСТ Р 56178-2014) типа МБ (далее - МБ Б-П-2) с удельной поверхностью 1500 м2/кг. Он составляет второй уровень оптимизации состава пенобетона - его рационального дисперсного состава. Между частицами в пустотах многокомпонентного цемента (портландце-мент+тонкодисперсный шлак) распределялся по одной или две частицы размером 3-5 мкм модификатора МБ Б-П-2. Пустотность системы в этом случае уменьшилась на 3-4%.
Третий уровень оптимизации дисперсного состава пенобетона обеспечивался за счет применения микрокремнезема. Его дисперсность 20000-30000 м2/кг [15-17], и благодаря действию поверхностных сил частицы микрокремнезема обволакивают зерна портландцемента, тонкодисперсного шлака и модификатора МБ Б-П-2. Часть их распределяется в пустотах между частицами модификато-
[ ■■ - >1'.: > ^ : г;-' научно-технический и производственный журнал
август 2016 53
№ п/п Состав, мас. % В/Т Средняя плотность, Прочность при сжатии после ТВО в возрасте, МПа Коэффициент теплопроводности в Усадка, мм/м
кг/м3 1 28 сухом виде, Вт/(м-°С)
1 Контрольный состав 0,39 398 0,75 100 1,02 100 0,098 100 2,98 100
2 Тонкодисперсный шлак - 40 0,37 384 0,95 125 1,34 130 0,077 78,6 2,67 89,6
3 СП С-3 - 0,6 0,32 406 1,01 1,49 0,101 0,98
Ускоритель твердения «АС» - 0,07 137 146 103 32,9
Тонкодисперсный шлак - 40 1,19 159 1,71 168 0,072 74 1,97 65
4 Микрокремнезем - 8 0,31 382
СП С-3 - 0,6
Тонкодисперсный шлак - 40 1,41 188 1,98 194 0,074 75,5 0,75 25,2
5 Микрокремнезем - 8 0,32 386
Ускоритель твердения «АС» - 0,07
6 Тонкодисперсный шлак - 40 0,33 384 1,18 1,69 0,076 0,7
МБ Б-11-2 - 20 157 167 77,5 23,5
Примечание. Под чертой - % от значения контрольного состава.
ра МБ Б-П-2, образуя самоорганизованную наноструктуру цементного камня. Многоуровневая оптимизация состава пенобетона создает его рациональный дисперсный состав, что обеспечивает снижение его межчастичной пу-стотности на 12%.
Были проведены комплексные исследования пено-бетонов различных составов. Марка пенобетона по средней плотности принята постоянной — D400. Структура и результаты сравнения строительно-технических свойств пенобетона приведены на рисунке, а также в таблице.
Для приготовления пенобетонной смеси использовались портландцемент ЦЕМ 1 42,5 Н (ПЦ500 Д0) и пенообразователь ПБ—2000. Были приготовлены серии образцов шести составов. Прочность при сжатии оценивалась после ТВО в возрасте 1 и 28 сут. Также определялись коэффициент теплопроводности и усадка. Состав 1 являлся контрольным.
В состав 2 вместо 40% портландцемента введено эквивалентное количество тонкодисперсного шлака. Это снизило В/Т на 5% и увеличило прочность пенобетона на 25—30%. Также наблюдается значительное снижение коэффициента теплопроводности (21,4%) и величины деформаций усадки (10,4%) относительно контрольного состава.
При использовании тонкодисперсного шлака, микрокремнезема в количестве 8% массы цемента и суперпластификатора С-3 (состав 4) наблюдается более значимое (на 59—68%) повышение прочности пенобетона и снижение коэффициента теплопроводности (на 26%). В большей степени (на 35%) уменьшилась усадка пенобетона.
Следовательно, были подтверждены теоретические положения о значимом снижении теплопроводности пенобетона при использовании тонкодисперсного шлака со смешанным состоянием (аморфное и кристаллическое) и высокодисперсного аморфного микрокремнезема. Эти компоненты выполняют роль «рассеивающих экранов» для фононов. Дополнительное введение в состав 4 ускорителя твердения «АС» (состав 5) обеспечивает большой прирост прочности (на 88—94%). Коэффициент теплопроводности относительно состава 4 не изменяется, а усадка пенобетона снижается более чем в 2,5 раза. Она составляет 0,75 мм/м и находится
практически на уровне требований к автоклавному газобетону. Полученные результаты связаны с формированием и однородным распределением в цементной системе наноразмерных игольчатых кристаллогидратов расширяющего типа. При этом происходит самоорганизация наноармирования структуры пенобетона, оказывающая значимое влияние на качество гидросиликатных фаз, вносящих основной вклад в прочность цементного камня.
Похожие результаты по значительному снижению усадки (на 66,5%) наблюдается при применении только химических модификаторов СП С-3 и ускорителя твердения «АС». Их использование увеличивает на 57—67% прочность пенобетона по сравнению с контрольным составом. Коэффициент теплопроводности при этом снижается на 22,5%.
Однако наиболее значимое снижение (на 76,5%) деформаций усадки наблюдается при комплексном использовании тонкодисперсного шлака и модификатора МБ Б-П-2 (состав 6). Значение усадки также находится на уровне автоклавного газобетона.
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования подтвердили теоретические положения о том, что многоуровневая оптимизация дисперсного состава пенобетона может быть достигнута за счет разработки рациональных параметров его компонентов. Путем применения минеральных модификаторов различной дисперсности обеспечивается высокая реакционная способность твердых частиц матрицы. Это относится и к протеканию пуццолановой реакции. Минеральные модификаторы с оптимальными параметрами придают высокую прочность пенобетона. Кроме того, использование органоминеральных модификаторов обеспечивает также низкую усадку и теплопроводность материала. Существенное улучшение СТС пенобетона достигается за счет применения органомине-рального модификатора в комплексе с тонкодисперсным шлаком и ускорителем твердения, чем обеспечивается пролонгированное действие добавки с эффектом синергизма. Следует также отметить, что индекс эффективности модификатора по сравнению с контрольным составом (по ГОСТ Р 56178—2014) для состава 6 составил: по снижению воды затворения — 18%; а по повышению прочности — 57—67%.
научно-технический и производственный журнал ^^(д
август 2016
Список литературы
1. К 100-летию со дня рождения Г.И. Горчакова. Исследование долговечности, состава, структуры и свойств цементных систем. Строительные материалы. 2016. № 6. С. 62-66.
2. Сахаров Г.П., Горчаков Г.И. О материаловедческой концепции создания строительных материалов с функционально заданными свойствами: Сборник трудов научных чтений, посвященных памяти Г.И. Горчакова и 75-летию с момента основания кафедры строительных материалов МГСУ. М.: МГСУ, 2009. С. 217-226.
3. Величко Е.Г., Белякова Ж.С. Некоторые аспекты физикохимии и механики композитов многокомпонентных цементных систем // Строительные материалы. 1997. № 2. С. 21-25.
4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с.
5. Израелашвили Д. Межмолекулярные и поверхностные силы. М.: Научный мир, 2011. 456 с.
6. Нгуен Т.Т., Орешкин Д.В. Исследование структуры газобетона для жилищного строительства Вьетнама // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 3. С. 169-172.
7. Нгуен Т.Т., Орешкин Д.В. Подбор и оптимизация состава неавтоклавного газобетона для условий Вьетнама // Интернет-вестникВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2014. Вып. 2. http://vestnik.vgasu.ru/attachme nts/5NguenTkhanTuan0reshkin-2014_2(33).pdf (дата доступа 11.07.2016)
8. Нгуен Т.Т., Орешкин Д.В. Технические свойства автоклавного и неавтоклавного газобетона // Вестник ИрГТУ. 2014. № 8. С. 100-103.
9. Ilich B.R., Mitrovich A.A., Milich L.R. Termal treatment of kaolin clay to obtain metakaolin // Hem. ind. 2010. No. 64 (4), рр. 351-356.
10. Shvarzman A., Kovler K., Grader G.S., Shter G.E. The effect of dihydroxylation amorphization degree on pozzolanic activity of kaolinite // Cement and Concrete Research. 2003. Vol. 33, рр. 405-416.
11. Arikan M., Sobolev K., Ertun T., Yeginobali A., Turker P. Properties of blended cements with thermally activated kaolin // Construction and Building Materials. 2009. Vol. 23, рр. 62-70.
12. Sabir B.B., Wild S. and Bai J. Metakaolin calcined clay as pozzolan for concrete: a review // Cement and Concrete Composites. 2001. Vol. 23, pp. 441-454.
13. Badogiannis E., Kakali G., Tsivilis S. Metakaolin as supplementary cementitious material Optimization of kaolin to metakaolin conversion // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2005. No. 81, рр. 457-462.
14. Дерябин П.П. Влияние рецептурных и технологических факторов на свойства пеногазобетона // Известия вузов. Строительство. 2001. № 5. С. 39-42.
15. Гусенков С.А., Удачкин В.И., Галкин С.Д., Ерофеев В.С. Теплоизоляционные и стеновые изделия из безавтоклавного пенобетона // Строительные материалы. 1999. № 4. С. 10-11.
16. Кардумян Г.С., Каприелов С.С. Новый органомине-ральный модификатор серии «МБ» - Эмбэлит для производства высококачественных бетонов // Строительные материалы. № 8. 2005. С. 12-15.
17. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Дондуков В.Г. Модифицированные высокопрочные мелкозернистые бетоны с улучшенными деформационными характеристиками // Бетон и железобетон. 2006. № 2. С. 2-6.
References
1. On the 100th anniversary of Grigoriy I. Gorchakov study of durability, composition, structure and properties of cement systems. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 6, pp. 62-66. (In Russian).
2. Sakharov G.P., Gorchakov G.I. About the concept of creation of materials science of building materials with predetermined properties functionally. Proceedings of the Scientific Conference dedicated to the memory of G.I. Gorchakov and the 75th anniversary since the founding of the Department of Building Materials MSUCE. Moscow: MSUCE. 2009. pp. 217-226. (In Russian).
3. Velichko E.G., Belyakova Zh.S. Some aspects of the chemistry and mechanics of composites of multi-component cement systems. Stroitel'nye Materialy. [Construction Materials]. 1997. No. 2, pp. 21-25. (In Russian).
4. Adamson A. Fizicheskaya himiya poverhnostej [Physical chemistry of surfaces]. Moscow: Mir. 1979. 568 p.
5. Izraelashvili D. Mezhmolekulyarnye i poverhnostnye sily [Intermolecular and surface forces]. Moscow: Nauchnyj mir. 2011. 456 p.
6. Nguen T.T., Oreshkin D.V. Study of the structure of aerated concrete for housing in Viet Nam. Nauchno-tehnicheskij VestnikPovolzh'ya. 2014. No 3, pp. 169-172. (In Russian).
7. Nguen T.T., Oreshkin D.V. Selection and optimization of composition aerated concrete for Vietnamese conditions. Internet-vestnik VolgGASU. Ser. Politematicheskaya. 2014. Vol. 2. http://vestnik.vgasu.ru/attachments/5Ngue nTkhanTuan0reshkin-2014_2(33).pdf (date of ac-cess11/07/2016). (In Russian).
8. Nguen T.T., Oreshkin D.V. Technical properties auto-claved and nonautoclaved aerated concrete. Vestmik IrGTU. 2014. No. 8, pp. 100-103. (In Russian).
9. Ilich B.R., Mitrovich A.A., Milich L.R. Termal treatment of kaolin clay to obtain metakaolin. Hem. ind. 2010. No. 64 (4), pp. 351-356.
10. Shvarzman A., Kovler K., Grader G.S., Shter G.E. The effect of dihydroxylation amorphization degree on poz-zolanic activity of kaolinite. Cement and Concrete Research. 2003. Vol. 33, pp. 405-416.
11. Arikan M., Sobolev K., Ertun T., Yeginobali A., Turker P. Properties of blended cements with thermally activated kaolin. Construction and Building Materials. 2009. Vol. 23, pp. 62-70.
12. Sabir B.B., Wild S. and Bai J. Metakaolin calcined clay as pozzolan for concrete: a review. Cement and Concrete Composites. 2001. Vol. 23, pp. 441-454.
13. Badogiannis E., Kakali G., Tsivilis S. Metakaolin as supplementary cementitious material Optimization of kaolin to metakaolin conversion. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2005. No. 81, pp. 457-462.
14. Deryabin P.P. Impact of prescription and technological factors on the properties of foam aerated concrete. Izvestiya Vuzov. Stroitel'stvo. 2001. No. 5, pp. 39-42. (In Russian).
15. Gusenkov S.A., Udachkin V.I., Galkin S.D., Erofeev V.S. Insulation and wall products from nonautoclaved foam concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 1999. No. 4, pp. 10-11. (In Russian).
16. Kardumyan G.S., Kaprielov S.S. New organic modifier "MB" series-Embelit for the production of high-quality concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2005. No. 8, pp. 12-15. (In Russian).
17. Kaprielov S.S., Shejnfel'd A.V., Kardumyan G.S. Dondukov V.G. Modified high-strength fine-grained concrete with improved strain characteristics. Beton I Zhelezobeton. 2006. No. 2, pp. 2-6. (In Russian).
. : , ^ : ; Г,-' научно-технический и производственный журнал август 2016
