Регулирование реологических характеристик смеси вяжущего при формовании ячеистой структуры изделий автоклавного твердения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 691.5

Е.В. ФОМИНА, канд. техн. наук, Н.И. АЛТЫННИК, инженер,

В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, В.В. НЕЛЮБОВА, А.Б. БУХАЛО, кандидаты техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Регулирование реологических характеристик смеси вяжущего при формовании ячеистой структуры изделий автоклавного твердения

Одной из важнейших операций, при которой происходит формирование пористой структуры и в значительной мере определяются функциональные и общестроительные свойства ячеистых материалов автоклавного твердения, является формование. Основным условием получения качественной ячеистой структуры без изменения геометрических размеров с порами правильной шаровидной формы, равномерно распределенными в массе бетона без дефектов структуры — расслоений, разрывов межпоровых перегородок, является соответствие кинетики газовыделения и схватывания вяжущей составляющей. При этом выделение газа должно как можно полнее закончиться к началу схватывания смеси [1].

Необходимо поддерживать достаточную пластическую вязкость системы для обеспечения газоудержива-ющей способности смеси. Поэтому механизм вспучивания зависит от согласованности газовыделения и струк-турообразования, т. е. изменения во времени реологических характеристик [2]. Полученные характеристики сырца ячеистых изделий на ранних стадиях формирования предопределяют эксплуатационные характеристики готового изделия.

В производстве автоклавных ячеистых бетонов в качестве вяжущего используется смесь извести, портландцемента и тонкоизмельченного кварцевого песка. По принятой на предприятиях технологии для получения бетона конструкционно-теплоизоляционного назначения плотностью 800 кг/м3 соотношение между известью, песком, цементом, газообразователем составляет 1:3,2:0,8:0,0048 при водотвердом отношении В/Т = 0,5. Этот состав в дальнейших исследованиях был принят контрольным. По технологическому регламенту предусматривается порционное смешивание компонентов вяжущего с разделением его на две части. При этом гашение извести протекает в два этапа.

Известно, что в зависимости от условий гашения извести получаемые продукты гашения отличаются как дисперсностью, так и реакционной способностью [3].

Известь как компонент быстро и более полно гидра-тируемый оказывает большое влияние на формирование структуры ячеистых изделий на первом этапе. Дисперсностью продуктов гашения извести можно управлять, изменяя температуру или наличие минеральных добавок [3, 4]. Получение наиболее высокодисперсных продуктов гашения оказывает влияние на реологические характеристики вяжущей смеси, применяемой для приготовления газобетонов автоклавного твердения.

Особенность заключается в модифицирующем действии высокодисперсных и активных продуктов гашения извести, полученных при наличии кислотного аниона SО42- при высокой температуре гашения извести. В результате гашения извести в присутствии добавки, содержащей кислотный анион ЗО^-, повышается растворимость Са(ОН)2, происходит диспергирование зе-

рен извести с отделением от них ультрадисперсных твердых частиц [5].

Исследования проводили на известково-песчано-цементных смесях вяжущего без введения газообразова-теля. Количество воды затворения оценивали коэффициентом соответствия расхода воды (К) на гашение извести с теоретическим значением по реакции: СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 65 кДж/моль. Теоретический коэффициент расхода воды принят равным 1 (К=1). Количество добавки гипса варьировали в пределах Д = 0-2%. В соответствии с технологией производства ячеистых изделий для сохранения теплоты от гашения извести и обеспечения хорошего вспучивания сырьевой смеси композиционного вяжущего необходимо большую часть извести вводить в негашеном виде. Поэтому в исследованиях композиционное вяжущее готовили при замене 10% негашеной извести на предварительно гашеную известь с добавкой двуводного гипса, остальная часть извести участвовала в технологическом процессе без изменений. Компоненты дозировали в соответствии с контрольным составом и смесь, затворенную водой с учетом расчетного количества влаги, интенсивно перемешивали в течение 2 мин, после чего снимали изменение показателей реологических характеристик смеси во времени.

Реологические характеристики смесей измеряли ротационным вискозиметром «Реотест 2.1». Градиент скорости сдвига изменялся от 0,33 с-1 до 145,8 с-1. Соотношение дисперсионной среды (вода) и дисперсной фазы по массе составляло 0,5. Растворные смеси газобетонных изделий автоклавного твердения представляют собой технические высококонцентрированные водные суспензии и относятся к пластичным дисперсным системам. Основными реологическими свойствами такой дисперсной смеси являются пластическая вязкость разрушенной структуры (п, Па-с), предельное напряжение сдвига (Рк, Па).

Реологические параметры исходных суспензий без добавок двуводного гипса показывают, что они являются типичными вязкопластичными структурированными суспензиями. Возникновение вязкости в таких системах относят на счет ван-дер-ваальсовых сил, в той или иной мере связывающих отдельные частички в суспензии. Течение смеси носит тиксотропный характер и соответствует поведению псевдопластических тел, у которых вязкость уменьшается с ростом напряжения сдвига [6].

При производстве газобетона вспучивание продолжается 30-40 мин, что определяет временной промежуток данных исследований. Важно отметить, что продолжительность выдерживания смеси во времени влияет на характер течения суспензий, что очень важно при вспучивании ячеисто-бетонной смеси в формах.

Применение продуктов гашения извести, полученных при различном количестве воды, изменяет вязкость

Ы ®

научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2011

33

140 120 100 80 60 40 20 0

—Д =0

-О- Д =0 25

—А— Д =0,75

—X— Д = 1

Д = 1,25

-•- =1,5

—1— =2

Пластическая вязкость сырьевой смеси вяжущего

50 75 100

Скорость деформации, с-1

Рис. 1. Реограммы смеси вяжущего с предварительным гашением извести с изменением количества добавки (К = 1)

Рис. 2.

извести

180

160

е- 140

§ 120

1 100

I 80

& 60 СО

^ 40 20 0>

Рис. 3.

извести

50 75 100

Скорость деформации, с-1

Реограммы смеси вяжущего с предварительным гашением (К = 1,25)

Д=0

-о- Д=0,25

-Л- Д=0,75

—к— Д=1

-ж- Д=1, 25

— Д=1,5

-1- Д=2

50 75 100

Скорость деформации, с-1

Реограммы смеси вяжущего с предварительным гашением (коэффициент расхода воды на гашение извести К = 1,5)

Количество добавки, % Пластическая вязкость, Па-с

К = 1 К = 1,25 К = 1,5

0 0,5 0,7 0,6

0,25 0,4 0,4 0,8

0,75 0,4 1 0,7

1 0,7 0,9 0,9

1,25 0,5 0,8 1,3

1,5 0,62 0,9 0,9

2 0,4 0,8 0,5

смеси. При рассмотрении реограмм сырьевой смеси (рис. 1—3) наблюдается увеличение напряжения сдвига, что свидетельствует о снижении вязкости смеси. Наличие в смеси большего количества мелкодисперсных фракций, полученных при меньшем расходе воды на гашение извести, повышает плотность упаковки и приводит к уменьшению общего объема пустот между частицами вяжущего и высвобождению части воды ранее заполнявшей их, т. е. к повышению количества свободной воды в системе. При этом возрастает число контактов между частицами, что приводит к увеличению вязкости.

В смесях вяжущего без добавки гипса при малом градиенте скорости сдвига до 15 с-1 наблюдается участок вязкого течения с практически неразрушенной структурой, т. е. структурный режим течения с максимальной пластической вязкостью.

На интервале скорости сдвига от 15 с-1 до «90 с-1 характер ветвей (Д = 0) различен при К = 1; 1,25; 1,5. При К = 1 и градиенте скорости сдвига 15-49 с-1 (рис. 1) наблюдается участок с максимальной вогнутостью кривой (Д = 0), что свидетельствует о приобретении суспензией дилатантных свойств. При использовании извести, гашенной количеством воды, увеличенным от теоретического в 1,25 и 1,5 раза (рис. 2, 3) на участке от 15 с-1 до «90 с-1, существенной разницы вязкостных свойств нет, нелинейность реограмм выражена довольно слабо. Далее при росте градиента скорости от 90 с-1 до 145,8 с-1

на всех реограммах наблюдается течение с практически полностью разрушенной структурой.

Представленные в таблице реологические характеристики соответствуют выдерживанию смеси в течение 30 мин, при дальнейшем времени выдерживания смеси загустевают, структура практически полностью разрушается и не подвергается деформациям, вязкость суспензий снижается.

Пластическая вязкость смеси с добавками гипса несколько изменяет специфику гидратации вяжущего и ход течения суспензий; на процесс влияют условия гашения извести, а именно характеристики продуктов гашения, полученные при различном количестве добавок и воды затворения.

С введением 0,25% двуводного гипса пластическая вязкость суспензии в обоих случаях уменьшается, причем при К = 1,25 происходит большее падение вязкости по сравнению с бездобавочным составом на 44% (таблица). Суспензии этих смесей имеют предел текучести при напряжении сдвига 2,3-1,73 Па. Деформация этих смесей при пониженном градиенте скорости сдвига (0-50 с-1) проявляет слабые тиксотропные свойства, после чего с увеличением скорости сдвига (50-80 с-1) участок реограммы приобретает вогнутость, вызываемый дилатантным структурообразова-нием системы (рис. 1, 2). Уменьшение пластической вязкости при К = 1,25, Д = 0,25% связано в первую очередь с наибольшим количеством мелкодисперсных частиц, полученных при гашении извести данным количеством воды, в таких смесях между частицами значительно возрастают силы внутреннего сцепления за счет действия внутренних межмолекулярных сил. При воздействии внешних факторов происходит ослабление сил внутреннего воздействия, снижая силу сцепления частиц, что ведет к снижению вязкости смеси.

Дальнейшее увеличение содержания гипса до 0,75% при использовании извести с К = 1 практически не оказывает влияния на течение смесей. Более яркий эффект наблюдается при использовании в смеси гашеной извести с 1% двуводного гипса; пластическая вязкость повышается до 0,7 Па-с с напряжением сдвига 5,18 Па (таблица, рис. 1). Дальнейшее увеличение добавки повышает вязкость, и дальнейшее течение происходит с почти разрушенной структурой смеси.

Реограмма смеси с предварительным гашением извести количеством воды К = 1,5 имеет отличия от двух предыдущих (К = 1, К = 1,25). С введением добавки до 0,25% кривые имеют слабовытянутый тиксотропный характер с пределом текучести 5 Па (рис. 3). На отрезке при градиентах скорости сдвига 80-145,8 с-1 реограм-мы практически линейны. Пластическая вязкость при этом повышается на 33% (табл. 1). При Д = 0,75% гипса наблюдается практически ньютоновское течение со снижением пластической вязкости на 12,5% по сравнению с Д = 0,25%.

Сравнительный анализ позволяет выделить оптимальный состав сырьевых смесей вяжущего с использованием извести с добавкой 1,25% двуводного гипса при

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 34 сентябрь 2011 ы ®

К = 1,5. В этом случае наблюдается максимум пластической вязкости (1,3 Па-с) с наименьшим напряжением сдвига. Реограмма имеет вид, характерный для модели нелинейного вязкопластичного течения сред [7]; вязкое течение начинается при невысоком пределе текучести 3,11 Па (рис. 3). При низком значении пластичности разрушенная структура восстанавливается медленнее, и в этом случае возникает возможность выравнивания скоростей газовыделения и формирования пористой структуры газобетонной смеси. При этом реологические характеристики приближаются к оптимальным, т. е. предельное напряжение сдвига небольшое, а пластическая вязкость высокая. Если величина предельного напряжения сдвига больше, чем подъемная сила пузырьков газа, то раствор не вспучивается; если же коэффициент пластической вязкости слишком мал, то происходит прорыв газов и масса оседает [2].

Следовательно, регулируя гашение извести, можно управлять реологическими характеристиками газобетонной смеси и приближать их к оптимальным, а значит, стабилизировать поризацию.

Таким образом, стабилизация реологических характеристик смеси вяжущего позволяет моделировать ячеистую структуру изделий и воздействовать на фазообра-зование и свойства материалов. Следует отметить, что микроструктура ячеистых бетонов, полученных с применением исследованных смесей, отличалась стабильным и равномерным распределением пор по объему массива и повышением прочности изделий в 1,5 раза в сравнении с известными аналогами. Несомненным преимуществом при изменении технологического процесса в соответствии с предложенными исследованиями является возможность их внедрения на уже существующих предприятиях без существенных затрат на перевооружение и временных простоев.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг. по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области нанотехно-логий и наноматериалов».

Ключевые слова: автоклавные ячеистые бетоны, гидратация, гашение извести, реология, вяжущее.

Список литературы

1. Зейфман М.И. Изготовление силикатного кирпича и силикатных ячеистых материалов. М.: Стройиздат, 1990. 184 с.

2. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989. 384 с.

3. Кудеярова Н.П., Серебряникова М.В. Получение высокодисперсного и активного гидроксида кальция // Изв. вузов. Строительство. 1996. № 10. С. 86—90.

4. Фомина Е.В. Исследование влияния степени гашения извести на прочность вяжущего на основе бели-товой составляющей: В сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. «Научные исследования, наносисте-мы и ресурсосберегающие технологии в стройинду-стрии». Белгород, 18—19 сентября 2007. Ч. I. С. 282-284.

5. Бойнтон Р. С. Химия и технология извести. М.: Стройиздат, 1972. 240 с.

6. Пивинский Ю.Е. Реология дилатантных и тиксотроп-ных дисперсных систем. СПб.: РИО СПбГТИ, 2001. 174 с.

7. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология. Концепции, методы, приложения. М.: Профессия, 2007. 560 с.

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

С 1953 года ПГТУ подготовил более 118 тысяч специалистов с высшим профессиональным образованием для отраслей разведки и разработки полезных ископаемых; энергетики; металлургии; машиностроения; авиационной и ракетно-космической техники; автоматики и управления; химической и биотехнологии; связи; строительства и др.

АВТОДОРОЖНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Подробности на сайте www.pstu.ru

614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 19а Тел./факс: +7 (342) 2-391-492

E-mail: dkadf@pstu.ac.ru реклама

fj научно-технический и производственный журнал

® сентябрь 2011 35