CC BY
20
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2021, №1, Том 13 / 2021, No 1, Vol 13 https://esj.todav/issue-1-2021.html URL статьи: https://esj.today/PDF/11SAVN121.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Раджабов Р.Г. Современная технология производства конструкционных и теплоизоляционных пенобетонов, с повышенной эффективностью и легкостью, с улучшенными показателями деформационных, прочностных и теплозащитных свойств // Вестник Евразийской науки, 2021 №1, https://esj.today/PDF/11SAVN121.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Radzhabov R.G. (2021). Modern technology of production of structural and heat-insulating foam concrete, with increased efficiency and ease, with improved indices of deformation, strength and heat-protective properties. The Eurasian Scientific Journal, [online] 1(13). Available at: https://esj.today/PDF/11SAVN121.pdf (in Russian)
Раджабов Рустам Габибович
ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет», Махачкала, Россия
Факультет «архитектурно-строительный» Старший преподаватель кафедры «Строительные материалы и инженерные сети»
E-mail: [email protected]
Современная технология производства конструкционных и теплоизоляционных пенобетонов, с повышенной эффективностью и легкостью, с улучшенными показателями деформационных, прочностных и теплозащитных свойств
Аннотация. Статья посвящена исследованию современных технологий производства конструкционных и теплоизоляционных пенобетонов, с повышенной эффективностью и легкостью, улучшенными показателями деформационных, прочностных и теплозащитных свойств и областей их применения. Предметом исследования выступает технология производства легких бетонов, объектом - легкие бетоны на основе пористых заполнителей. Цель исследования - обоснование критериев эффективности материалов для рациональных ограждающих конструкций и разработка технологии эффективных конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на пористых заполнителях с нормативным обеспечением совокупности необходимых для практического применения основных показателей назначения бетонов - конструкционных, теплофизических и гигрофизических. В результате проведенного исследования установлена, что зависимость значений конуса растекания на столе для встряхивания мелкозернистой бетонной смеси, модифицированной микрокремнеземом (без пластифицирующей добавки) и количества добавленного коллоидного раствора, является нелинейной. Обоснована позиция о том, что единовременное сочетание двух коллоидных добавок (сланцевой золы и микрокремнезема) в целях формирования мелкозернистой бетонной смеси с оптимальным микроколичеством - эффективный технологический инструмент при разработке рецептур современных высококачественных бетонов перспективных направлений. Проведенное исследование базируется на гипотезе о том, что использование в конгломератах на основе цементных вяжущих новых компонентов из пористых заполнителей с более высокими стойкими и теплозащитными свойствами, с учетом предложенных конструктивных и технологических факторов обеспечит производство конструкционных и теплоизоляционных бетонов с повышенной эффективностью и легкостью, с лучшими показателями деформационных и прочностных и теплозащитных свойств по сравнению с легкими бетонами,
известными на готовых заполнителях, в то же время решение предложенной системы уравнений для теплофизической и гигрофизической эффективности материалов обеспечит внедрение рациональных проектных решений для включения конструкций в различных климатических условиях.
Ключевые слова: пенобетон; легкий бетон; эксперимент; коллоидная добавка; упрочнение; теплозащитные свойства; пористые заполнители
Следует начать с того, что по своим технологическим и техническим характеристикам золы близки к производственному сырью и превосходят его за счет возможности высокотемпературной обработки, которой они подвергаются благодаря сжиганию топлива в котлах. Использование золы для создания бетонных смесей актуально в связи с тем, что за счет трансформации свойств последних, она повышает удобоукладываемость, посредством повышенной водопотребности. Это, в свою очередь, позволяет снизить внутреннее трение в смесях, т. к. в условиях их уплотнения, частицы золы отдают часть воды, которая исполняет функцию смазки между дисперсными компонентами смесей.
В целях изучения степени влияния малых и низких концентраций высокодисперсных добавок сланцевой золы и микрокремнезема, были подготовлены коллоидные растворы этих добавок, представляющие собой гетерогенную дисперсную систему, где взвешенные частицы имеют ультрамикроскопическую степень фрагментации. Размер частиц данной дисперсной фазы может варьироваться от 1 до 400 нм.
Измельчение твердых тел в жидкой среде возможно посредством ультразвукового диспергатора. Диспергирование суспензий происходит при воздействии ультразвука на твердые частицы, которые между собой связаны силами спекания, слипания или спайности.
Таким образом, было создано и изучено два коллоидных раствора: первый - сланцевая зола (после четырех часов помола) при концентрации 5 % от массы воды, и второй -микрокремнезем (после пяти часов помола) при аналогичной концентрации. Посредством ультразвуковых колебаний произошло размельчение частиц в течение заданного времени - в первом случае в течение 60 минут, во втором - в течение 15 минут. В целях измерения концентрации коллоидного раствора в течение указанного временного периода, 20 г коллоида были удалены с верхнего слоя и помещены в печь для просушки. Итоговая зависимость от концентрации представлена на рис. 1. Результат измерений концентрации в диапазоне от 0,01 до 0,059 г/мл показал, что полученные средние значения имеют доверительный интервал не более 3,5 % при уровне достоверности P = 0,95.
Как видно из графика, в интервале от 15 минут до 24 часов объем твердого вещества понемногу уменьшается - с 6 до 5,2 % масс. В последующие три дня концентрация стабилизируется, однако по прохождении этого срока, при нормальных условиях хранения, начинается процесс седиментации. Принимая во внимание полученные результаты (эффект), эксперимент по интеграции коллоидного раствора твердых пуццолановых добавок в бетонные смести проводился раз в интервале времени от 1 до ультразвуковой дисперсии [4; 5]. Подобным образом, было обнаружено, что через два дня после диспергирования сланцевой золы и микрокремнезема в воде возможно получить очень дисперсные, стабильные, гомогенные коллоидные растворы.
Введение
Материалы и методы
Рисунок 1. Изменение концентрации коллоидного раствора микрокремнезема от времени хранения (составлено автором на основании данных [1-3])
Далее, образцы были отпрессованы на стандартной лабораторной вибрационной платформе с амплитудой колебаний 0,35 мм и 0,5 мм при частоте колебаний - 50 Гц. Продолжительность колебаний предполагалась в зависимости от подвижности бетонной смеси.
Определение прочности бетона на растяжение и сжатие осуществлялось с использованием образцом размерами 10*10x10 см. Метод оценки - GOSG 10180-90 (2003) «Бетон. Методы определения силы с использованием контрольных образцов».
В свою очередь, оценка изменений усадочных деформаций осуществлялась с использованием образцов размером 10*10*40 см в соответствии с требованиями ГОСТ 24544-811. Замеры проводились: первые семь дней - ежедневно, далее на 14-й, 21-й и 28 день, затем - раз в месяц. Величина деформации определялась как среднее арифметическое результатов измерений трех образцов в серии. Весь эксперимент происходил в течение 180 дней. Образцы хранились при температуре от 18 до 22 °С, при относительной влажности 50-60 %. Формула расчета относительных линейных деформаций образцов (в) представлена ниже:
е = (.к- 1д/11 (1)
где: Ь - начальный отсчет, произведенный при измерении образца после распалубки; Ь - отсчет длины при последующих измерениях образца.
Морозостойкость бетона изучалась на образцах размером 10*10*10 см, в соответствии с требованиями ГОСТ 10060-20122, с использованием метода НИИЖБ для определения морозостойкости при сверхнизких температурах. По методике НИИЖБ также исследовались, во-первых, физико-химические свойства, во-вторых, проводился рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы бетонов [6; 7], и химический анализ агрегатов, который включал определение содержания стеклянной фазы и гидравлической активности агрегатов по отношению к CaO [8].
1 ГОСТ 24544-81 Бетоны. Методы определения деформации усадки и ползучести (с Изменением N 1). -М.: Издательство стандартов, 1987. - 50 с.
2 ГОСТ 10060-2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости (с Поправками). - М.: Стандартинформ, 2018. - 45 с.
Защитные свойства бетона в отношении стальной арматуры определялись на образцах размером 7*7*14 см с одним центрально расположенным стержнем; используемый метод - ST SEV 4421-83 «Защитные свойства бетона в отношении стальной арматуры. Электрохимический метод испытаний».
Структура VTG, его зона контакта с цементно-песчаной матрицей и структура цементно-песчаной матрицы и бетона на VTG были исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM).
В завершении описания методологии добавим, что физико-химические исследование легких бетонов проводились с помощью электронно-микроскопического метода с применением сканирующего электронного микроскопа JSM-25 от японской компании JEOL. Микроскоп JSM-25 обладает диапазоном увеличения от 45 до 100 тыс. раз, что позволяет охватывать диапазон увеличения световой оптики и дает возможность работать с увеличением до 7000 раз. Увеличение (от нескольких десятков до 4,5 тыс. раз) нужно для того, чтобы изучать цементный камень. Интерпретация изображения SEM преимущественно базируется на сравнении морфологии известных фаз с фазами, обнаруженными в цементном камне, бетоне и заполнителе.
Результаты и обсуждение
Результаты электронно-микроскопического анализа были дополнены данными рентгенофазового анализа. Для этого были использованы образцы активного пористого бетона и образцы низкопористого бетона - по два каждого вида. Толщина образца НТО составляла 3 мм, а его диаметр - не более 10 мм.
Образец был приклеен к столу, а края - покрывались электропроводящей эмульсией. В целях оптимизации условий наблюдения на всю используемую поверхность был распылен тонкий металлический слов (платина или золото) толщиной - 200-800 А. В той связи, что НТО состоит из 40-75 % аморфного материла, зона его контакта в бетоне с цементной матрицей может в значительной степени отличать от зоны керамзита. Принимая во внимание эти особенности БИТ, дополнительно проводилось исследования для изучения зоны контакта, а также выявления возможных новообразований [9].
Далее приведем технологическую схему производства легкого бетона принятого состава (рис. 2) [8; 10].
Приготовление ячеистобетонной смеси
Итак, технология изготовления пеноблоков на основе высококальциевой золы-унос включает в себя ряд операций: в первую очередь принимается и подготавливается сырье, затем приготавливается технологическая пена, затем пенобетонная смесь, далее осуществляется формовка пеноблоков, созревание массива, его резка и складирование. Схематично данный процесс представлен на рисунке 2.
Опишем кратко основные этапы, начиная с формовки пеноблоков. На данном этапе подготовленная заранее смесь заливается в форму, состоящую из поддона и съемных бортов. Перед заливкой их необходимо смазать и установить на основание формы. Применение передвижных форм со съемными бортами позволяет исключить из всей процедуры подъемные механизмы и минимизировать затраты [11].
После того, как форма залита, в камеру тепловой обработки для созревания помещают массив на 8-10 часов, что необходимо для ускорения процесса набора нужной прочности для
резки массива на блоки необходимых размеров. Важно обратить внимание на тот факт, что если массив сырой, то его следует перемещать с особой осторожностью, для того, чтобы исключить появление повреждений, которые станут заметными после пропаривания.
Рисунок 2. Технология производства пенобетона (составлено автором на основании данных [8; 10])
Пропаривание осуществляется при температуре до 90 °С и относительной влажности воздуха 90-95 %. В камеру загружают пенобетонный массив и впускают пар под давлением до 0,7 am. Температура в камере не должна повышаться более, на 20 °С в час. Ориентировочно продолжительность каждого периода может быть принята:
а) подъем температуры до оптимальной величины прогрева 3,5-5 ч., причем в начале подъема - не более 8-10° в 1 ч., а в конце - не более 15-20° в 1 ч.;
б) прогрев при оптимальной температуре 12-15 ч.;
в) снижение температуры в камере 2,5-3 ч., с перепадом температуры не более 25-30° в 1 ч.
Ячеистый бетон приобретает окончательные физико-химические характеристики [1; 2; 12].
На этапе подбора смесительного оборудования необходимо произвести расчет времени на один замес (см. рис. 3). Циклограмма составлена на основе данных ОНТП 85-09.
Исходя из циклограммы, на 1 замес уходит примерно 6 минут. Количество замесов в час определяется по формуле:
М = 60 / Тзам (2)
где 60 - количество минут в часе; М - количество замесов в час; Тзам - время, требующееся на один замес.
Дозирование П 40
Дозирование В 30
Дозирование Д 20
Дозирование Ц 30
Транспортирование П, В, Д, Ц 40
Перемешивание П, В, Д, Ц 100
Дозирование Пены 30
Перемешивание 150
Выгрузка 30
Весь цикл занимает 350 сек.
РисунокЗ. Циклограмма продолжительности приготовления бетонной смеси (составлено автором)
М = 60 / 6 = 10 замесов в час
Следовательно, необходимый объем смесительного барабана по загрузке рассчитывается по формуле:
Б = Qчас / (Р*М) (3)
где Очас - потребность материала на 1 час или часовая производительность бетоносмесителя; в - коэффициент выхода бетонной смеси (0,8); М - количество замесов в час.
Б = 73,7 / (0,8 * 10) = 9,21 м3/замес
Получив объем одного замеса, можем подобрать подходящий смесительный агрегат -пенобетоносмеситель СМ-863А.
ЗАО «НТЦ ПН», совместно с ИСИ ФГБОУ ВПО СПбГПУ, в результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ был создан рецепт инновационного конструкционного легкого бетона на основе портландцемента, который не содержит РС500-00-№№, пластифицирующей добавки, керамзита с фракцией 0-4 мм, наномодификатора, электростатически осажденной сланцевой золы, а также высокодисперсной кремнеземной пыли. Основываясь на этот рецепт, были описаны образцы
[13].
Влияние массовых количеств микрокремнезема на прочность мелкозернистого бетона представлено на графике (рис. 4). В соответствии с полученными результатами опытно-экспериментальной работы по оценке образков на прочность, можно сделать вывод о том, что наблюдаемые средние значения множественных испытаний имеют доверительный интервал не более 5,6 % с уровнем достоверности Р = 0,95.
Как видно из представленного графика, при относительно небольшом количестве добавленного микрокремнезема произошло увеличение прочности, и далее ее стабилизация. Также, становится очевидным тот факт, что имеет место увеличение прочности бетона при добавлении микрокремнезема в количестве примерно 1 % от массы цемента (550 кг на м3), если сравнивать с контрольным образцом.
Рисунок 4. Влияние микрокремнезема на прочность контрольных образцов (составлено автором)
Принимая во внимание полученные данные, была предпринята попытка дополнительной интеграции микроколичества коллоидной формы добавок микрокремнезема, что способствовало дальнейшему приросту параметров разработанной композиции.
Рисунок 5. Влияние сланцевой золы на прочность контрольных образцов (составлено автором)
Далее была произведена оценка влияния электрофильтровой сланцевой золы на состав высококачественного легкого мелкозернистого бетона. В соответствии с результатами измерения прочности на сжатие контрольных образцов из мелкозернистого бетона, представленными на рис. 5, можно констатировать среднее значение множественных наблюдений имеют доверительный интервал не более 4,6 % при уровне достоверности P = 0,95. Из графика также виден характер влияния количества сланцевой золы на свойства легких мелкозернистых бетонов - плавный, однако, имеет место и нелинейное увеличение прочности с течение времени в длительных периодах созревания. Интеграция дополнительного микроколичества коллоидной формы сланцевой золы позволило увеличить физическо-химические параметры разрабатываемого бетона.
Сказанное позволяет сделать вывод о том, что с применением результатов исследований, представленных в данной статье, был создан и апробирован высококачественный легкий мелкозернистый бетон с высокой подвижностью (Р6) [5].
Выводы
В рамках настоящего исследования был проведен эксперимент, при котором были измерены прочностные характеристики, а также характеристики теплопроводности, соответствующие требованиям ГОСТ 10180-20123. Нагружение производилось плавно и постоянно со скоростью, которая позволяет обеспечить повышение расчетного напряжения в образце до его полного разрушения в пределах (0,6±0,4) МПа/с при испытаниях на сжатие. Наибольшее усиление позволило определить разрушительную нагрузку. Был подобран пенобетоносмеситель СМ-863А, которые наибольшим образом подходит для целей исследования. Эта методика позволила определить реологические и прочностные свойства испытанного модифицированного мелкозернистого бетона [7].
ЛИТЕРАТУРА
1. Ye J.-H. Elastic restrained distortional buckling of steel-concrete composite beams based on elastically supported column method / Ye J.-H., Chen W. - doi: 10.1142/S0219455413500016 // International Journal of Structural Stability and Dynamics. - 2013. - Vol. 13(1). - No. 1350001.
2. Prabha P. Flexural Behaviour of Steel-Foam Concrete Composite Light-Weight Panels / Prabha P., Palani G.S., Lakshmanan N. Senthil R. // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2018. - Vol. 22(9). - pp. 3534-3545.
3. Jerman M. Hygric, thermal and durability properties of autoclaved aerated concrete / Jerman M., Keppert M., Vyborny J., Cerny R. // Construction and Building Materials.
- 2013. - Vol. 41. - pp. 352-359.
4. Awoyera P.O. Foamed concrete incorporating mineral admixtures and pulverized ceramics: Effect of phase change and mineralogy on strength characteristics / Awoyera P.O., Britto B.F. - doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117434 // Construction and Building Materials. February 2020.
5. Vicek J. Experimental investigation of properties of foam concrete for industrial floors in testing field / Vicek J., Drusa M., Scherfel W., Sedlar B. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2017. - Vol. 95(2). - Article № 022049.
6. Добшиц Л.М. Материалы на минеральной основе для защиты строительных конструкций и повышения их долговечности / Добшиц Л.М., Ломоносова Т.И. // Строительство и реконструкция. - 2010. - №1 (27). - С. 64-68.
7. Добшиц Л.М. Исследование реологических свойств бетонных смесей для изготовления дорожных барьерных ограждений методом скользящей опалубки / Добшиц Л.М., Швецов Н.В. // Строительство и реконструкция. - 2010. - №2 (28).
- С. 67-72.
8. Пак А.А. Композиционные изделия из полистирола и газобетона и обоснование зависимости их теплопроводности от плотности и слоистости материала / Пак А.А., Сухорукова Р.Н., Гришин Н.Н. // Строительные материалы. - 2006. - № 6. -С. 28-30.
3 ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. Официальное издание. - М.: Стандартинформ, 2018. - 36 с.
9. Ji-Su K. Modeling of multiple phase solid microstructures and prediction of mechanical behaviors of foamed concrete / Ji-Su K., Sang-Yeop C., Tong-Seok H., Dietmar S., Mohamed A.E. - doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118637 // Construction and Building Materials. 2020.
10. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. Матричные двухфазные системы с невытянутыми включениями // Журнал технической физики. - 1951. - Т. 21. - № 6. - С. 667-685.
11. Гусев Б.В. Физико-математическая модель напряженного состояния бетона как композиционного материала при действии сжимающих нагрузок // Вестник гражданских инженеров. - 2009. - № 3 (20). - С. 101-103.
12. Rum R.H.M. A preliminary experimental study on vibration responses of foamed concrete composite slabs / Rum R.H.M., Jaini Z.M., Abd Ghaffar N.H., Abd Rahman N. // Materials Science and Engineering. - 2017. - Vol. 271(1). - № 012102.
13. Гусев Б.В. Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах с добавкой наночастиц диоксида кремния, Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал // Центр новых технологий «НаноСтроительство». - 2009. - Т. 1. - №3. - С. 8-14.
Radzhabov Rustam Gabibovich
Dagestan state technical university, Makhachkala, Russia
E-mail: [email protected]
Modern technology of production of structural and heat-insulating foam concrete, with increased efficiency and ease, with improved indices of deformation, strength and
heat-protective properties
Abstract. The article is devoted to the study of modern technologies for the production of structural and heat-insulating foam concrete, with increased efficiency and ease, improved parameters of deformation, strength and heat-protective properties and their applications. The subject of the study is the technology of light concrete production, the object is light concrete based on porous aggregates. Research objective - justification of criteria of efficiency of materials for rational enclosing structures and development of technology of effective constructional and heat-insulating light concrete on porous filler with standard providing set of key indicators of prescribing of concrete, necessary for practical application, - the construction, thermophysical and the hygrophysical. As a result of the conducted study, it was established that the dependence of the values of the spreading cone on the table for shaking a fine-grained concrete mixture modified with a microsilicon (without a plasticizing additive) and the amount of added colloidal solution is non-linear. The position is justified that a one-time combination of two colloidal additives (shale ash and micro-silica) in order to form a fine-grained concrete mixture with an optimal micro-quantity is an effective technological tool in the development of formulations of modern high-quality concrete of promising directions. The study is based on the hypothesis that the use in conglomerates based on cement cementitious new components from porous aggregates with higher durability and thermal protective properties, taking into account the proposed structural and technological factors, will ensure the production of structural and heat-insulating concretes with increased efficiency and ease, with better deformation and strength properties and heat shielding properties compared to light concrete, known on finished fillers, at the same time, the solution of the proposed system of equations for thermophysical and hygrophysical efficiency of materials will ensure the introduction of rational design solutions for the inclusion of structures in various climatic conditions.
Keywords: foam concrete; light concrete; experiment; colloidal additive; hardening; heat protective properties; porous aggregates
