CC BY
48
https://doi.org/10.21122/2227-1031-2019-18-4-292-302 УДК 666.972; 693.54
Технология и физико-механические свойства керамзитопенобетона для монолитного и сборного строительства
Инж. М. М. Мордич1)
'-Белорусский национальный технический университет (Минск, Республика Беларусь)
© Белорусский национальный технический университет, 2019 Belarusian National Technical University, 2019
Реферат. В результате теоретических и экспериментальных исследований получен эффективный, не подверженный явлениям осадки и усадки теплоизоляционно-конструкционный материал - керамзитопенобетон в диапазоне основных применяемых в строительстве марок по средней плотности D300-D700, характеризующийся на 5-31 % большей прочностью и на 8-27 % модулем упругости, а также более высоким (<30,7 %) уровнем паропроницаемости и влагоотдачи (на 17,4-46,7 %) при меньших (на 10,0-83,2 %) величинах водопоглощения, сорбционной влажности и теплопроводности по сравнению с ячеистым бетоном автоклавного твердения и пенобетоном равной плотности. Разработана трехстадийная технология приготовления керамзитопенобетона, на первой стадии которой готовят цементное тесто, куда при необходимости вводят оптимальное количество ускорителя твердения (1 % CaCl2 от массы цемента) и уплотняющие структуру цементного камня (1 % Al2SO4 от массы цемента) добавки, предотвращающие осадку связующего (пенобетона) при последующем твердении, а в сочетании с 0,5 % от массы цемента «Гидроксипропилме-тилцеллюлозы УСК-200 ТТ» - и усадку пено- и керамзитопенобетона при последующем высыхании (высушивании). На второй стадии поризуют связующее, вводя в цементное тесто белковый пенообразователь Laston в оптимальном (в зависимости от заданной плотности) количестве примерно 0,5-1,3 % от массы цемента, а на третьей стадии в приготовленную пенобетонную смесь вводят керамзитовый гравий (в рациональном количестве примерно 0,7-0,8 м3 на 1 м3 керамзитопенобетона) при непрерывном смешивании в течение 60-90 с. Разработаны методики расчета составов пено- и керамзитопенобетона, обоснованы режимы формования керамзитопенобетона высокой степени однородности (коэффициент вариации плотности и прочности uk < 6,2 % при производственном формовании слоями высотой до 1500 мм), что подтверждает эффективность предлагаемой технологии.
Ключевые слова: цемент, пенообразователь, керамзит, пенобетон, керамзитопенобетон, технология, свойства, плотность, прочность, теплопроводность
Для цитирования: Мордич, М. М. Технология и физико-механические свойства керамзитопенобетона для монолитного и сборного строительства / М. М. Мордич // Наука и техника. 2019. Т. 18, № 4. С. 292-302. https://doi.org/10. 21122/2227-1031 -2019-18-4-292-302
Technology and Physico-Mechanical Properties of Claydite Foam Concrete for Monolithic and Prefabricated Construction
М. М. Mordzich1)
'-Belarusian National Technical University (Minsk, Republic of Belarus)
Abstract. Theoretical and experimental investigations have resulted in obtaining an effective insulating and structural material (claydite foam concrete) that is not subjected to slump and shrinkage in the range of main grades used in construction in terms of average density D300-D700, characterized by 5-31 % greater strength and 8-27 % elasticity modulus, as well as a higher (<30.7 %) level of vapor permeability and moisture return (by 17.4-46.7 %) with lower values (by 10.0-83.2 %) of water absorption, sorption moisture and thermal conductivity in comparison with aerated concrete of autoclave hardening and foam concrete of equal density. A three-stage technology has been developed for preparing claydite foam concrete. At the first stage cement dough is prepared and if it is necessary an optimum amount of hardening accelerator (1 % CaCl2 from cement mass) and additives condensing cement stone structure (1 % Al2SO4 from cement mass ) are introduced into it, they prevent slump of a binder (foam concrete) during the subsequent hardening, and in combination with 0.5 % from cement mass "Hydroxypropylmethylcellulose yCK-200 TT" - and shrinkage of foam and claydite foam concrete during the subsequent drying. At the second stage, the binder is aerated while introducing protein-based foam agent (Laston) into the cement dough
Адрес для переписки
Мордич Михаил Михайлович
Белорусский национальный технический
ул. Ф. Скорины, 25, корп. 1
220114, г. Минск, Республика Беларусь
Тел.: +375 17 369-75-84
Address for correspondence
Mordzich Mikhail M.
Belarusian National Technical University
25, k. 1 F. Skoriny str.,
220114, Minsk, Republic of Belarus
Tel.: +375 17 369-75-84
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
in an optimal amount (depending on the given density) 0.5-1.3 % from the cement mass; and at the third stage, expanded clay gravel is introduced into prepared foam concrete mixture (in rational amount of approximately 0.7-0.8 m3 per 1 m of claydite foam concrete) with continuous mixing for 60-90 seconds. Methodologies for calculation of foam- and claydite foam concrete compositions have been developed; molding modes of expanded clay foam concrete with high degree of homogeneity (variation coefficient of density and strength uk < 6.2 % in the process of manufacturing molding with layer height up to 1500 mm) have been justified that confirms efficiency of the proposed technology.
Keywords: cement, foam-producing agent, claydite, foam conrete, claydite foam concrete, technology, properties, density, strength, heat conductivity
For citation: Mordzich M. M. (2019) Technology and Physico-Mechanical Properties of Claydite Foam Concrete for Monolithic and Prefabricated Construction. Science and Technique. 18 (4), 292-302. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-18-4-292-302 (in Russian)
Введение
Одной из важнейших задач при строительстве и эксплуатации жилищного фонда Республики Беларусь является обеспечение требований к теплоизолирующей функции наружных ограждающих конструкций зданий. Поэтому совершенствование технологии получения энергоэффективных стеновых материалов, которые сочетали бы низкую теплопроводность с достаточными прочностными характеристиками, т. е. обеспечивали рациональное сочетание теплоизолирующей и несущей функций, представляет актуальную задачу.
Приведенным критериям в наибольшей мере соответствуют легкие бетоны поризованной структуры, в частности производимые в нашей стране изделия из автоклавного ячеистого бетона на основе известково-кремнеземистого вяжущего с использованием извести-кипелки. Эта технология ориентирована на производство штучных изделий заводского изготовления. С расширением строительства из монолитного бетона появилась потребность в технологии ячеистого бетона, которая могла бы обеспечить условия возведения ограждающих конструкций с требуемым термическим сопротивлением теплопередаче монолитным способом. Традиционная технология ячеистого бетона такие условия не обеспечивает. В этой связи перспективно использование в монолитном строительстве ячеистого бетона, полученного с применением пенообразователей, т. е. пенобетона [1-3].
Однако в процессе исследований и практического использования выявились недостатки пенобетона, которые связаны с нестабильностью свойств пенобетонных смесей, что затем проявляется в повышенной осадке (и усадке) и неоднородности структуры и свойств затвердевшего материала, т. е. в уровне и постоянстве его физико-технических показателей, определяющих качество конечной продукции. Решение данной задачи заключается в создании конгломератного материала - керамзитопенобето-на, полученного с применением особо легкого
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
керамзитового заполнителя (рК < 400 кг/м3) и пенобетонного связующего со средней плотностью рср ~ (200-800) кг/м3, что позволило получить материал с однородной (не подверженной осадке) структурой в диапазоне средней плотности 300-700 кг/м3, обеспечивающий требуемые теплофизические и прочностные характеристики для возводимых стеновых (внутренних и наружных) и иных строительных конструкций.
Технология приготовления поризованного
связующего компонента - пенобетона
Для получения керамзитопенобетона с необходимыми свойствами в диапазоне марок по средней плотности D300-D700 нужно подобрать пенобетон с оптимальными физико-механическими свойствами. Учитывая, что плотность керамзитопенобетона зависит от средних плотностей обоих компонентов, а получение керамзита с насыпной плотностью менее 400 кг/м3 (и тем более, менее 300 кг/м3) проблематично, на первом этапе получили пенобетон в диапазоне марок D200-D600 (табл. 1).
В процессе исследований были определены наиболее рациональный (среди получивших предварительную оценку разновидностей пенообразователей) вид и оптимальное количество пенообразователя - Laston, составивший для пенобетона разных марок по плотности примерно 0,5-1,3 % от массы цемента (МЦ), который использовали в последующих экспериментах, обеспечивая получение пенобетона марок D200-D600. С целью снижения отрицательного эффекта осадки-усадки и повышения прочности затвердевшего пенобетона в состав вводили химические добавки различного функционального назначения. В результате экспериментально подобран комплекс из оцениваемых добавок ускорителей твердения CaCl2 и Na2SO4 и уплотняющей структуру цементного камня добавки Al2(SO4)3 (рис. 1, 2).
Таблица 1
Физико-механические свойства пенобетона плотностью марок D200-D600 на синтетическом (lib 2000) и протеиновом (Laston) пенообразователях (для образцов 100x100x100 мм, выпиленных из 1000 мм призмы)
Physical and mechanical properties of foam concrete with density of D200-D600 grades on synthetic (lib 2000) and protein (Laston) frothers (for specimens 100x100x100 mm being cut-out from 1000 mm prism)
Плотность Среднее и, ри Предел прочности на сжатие в сухом состоянии, МПа Среднее и, Rn
расчетная фактическая в сухом состоянии Нижний Средний Верхний
Нижний Средний Верхний
D200 Полностью осел - - - - - -
D200* 220 210 195 208 0,06 0,16 0,15 0,12 0,14 0,14
D300 Осадка в форме h = 1000 мм составила 46 %, или 460 мм
D300* 310 300 298 303 0,02 0,33 0,32 0,29 0,32 0,07
D400 460 420 390 423 0,08 0,59 0,52 0,49 0,53 0,10
D400* 420 410 400 410 0,02 0,75 0,73 0,70 0,73 0,03
D500 550 530 496 525 0,05 1,15 0,95 0,81 0,97 0,17
D500* 515 502 498 505 0,02 1,36 1,32 1,28 1,32 0,03
D600 664 630 590 628 0,06 1,36 1,30 1,26 1,31 0,04
D600* 610 604 592 602 0,01 1,64 1,62 1,60 1,62 0,01
Примечание. Со звездочкой - применялся протеиновый пенообразователь Laston; без звездочки - синтетический ПБ 2000.
Рис. 1. Зависимость величины осадки пенобетона от вида и расхода добавки ускорителя твердения, в % от массы цемента, для различных марок по средней плотности D: 1 - 1,0 % Na2SO4; 2 - 2,0 % Na2SO4; 3 - 3,0 % Na2SO4; 4 - 1,0 % CaCl2; 5 - 2,0 % CaCl2; 6 - 3,0 % CaCl2; 7 - 1,0 % Al2(SO4)3; 8 - 2,0 % Al2(SO4)3; 9 - 3,0 % Al2(SO4)3;
к - контрольный состав без добавок
Fig. 1. Dependence of slump value for foam concrete on type and consumption of additive for hardening accelerator, in % by weight of cement, for various grades of average density D: 1 - 1.0 % Na2SO4; 2 - 2.0 % Na2SO4; 3 - 3.0 % Na2SO4; 4 - 1.0 % CaCl2; 5 - 2.0 % CaCl2; 6 - 3.0 % CaCl2; 7 - 1.0 % Al2(SO4)3; 8 - 2.0 % Al2(SO4)3; 9 - 3.0 % Al2(SO4)3;
к - control composition without additives
Влияние вида и количества вводимой в смесь добавки на свойства пенобетонной смеси и затвердевшего пенобетона оценивали по двум показателям:
- устойчивости к осадке «массива» из укладываемой за один прием в форму высотой 1000 мм (сечением 100x100 мм) пенобетонной смеси при твердении в течение 24 ч (рис. 1);
- изменению прочности пенобетона на сжатие в возрасте 3; 7 и 28 сут. (рис. 2).
Прочность определяли на образцах (по 6 шт. в серии) размерами 100x100x100 мм, отобран-
ных из средней части по высоте исходного «массива» пенобетона марок D200-D600, хранившихся до испытаний в камере нормально-влажност-ного твердения. Из результатов экспериментов следует, что развитие реакций вещества А12^04)3 с гипсовой составляющей цемента в водной среде с образованием крупных кристаллогидратов этрингита (при сопутствующем увеличении объема) способствует стабилизации структуры твердеющего камня. Этот вывод подтверждается незначительным ростом объема (высоты образцов с открытой верхней грани) пенобетона (рис. 1, поз. 7, 8, 9).
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
3,0
2,5
cS К
^ 2,0
1,5
1,0
0,5
3,5
и 3,0
g 2,5
¡3
о О
£ 2,0
1,5
1,0
0,5
3,5
10
20 30
Возраст, сут.
20 30 Возраст, сут.
*} 1
20 30 Возраст, сут.
Рис. 2. Зависимость изменения прочности пенобетона на сжатие в возрасте 3, 7 и 28 сут. от вида добавки (а - Na2SO4; b - Al2(SO4)3; с - CaCl2) и средней плотности пенобетона (1 - D200; 2 - D300; 3 - D400; 4 - D500; 5 - D600)
Fig. 2. Dependence of change in foam concrete strength in compression at age of 3, 7 and 28 days, on type of additive (а - Na2SO4; b - Al2(SO4)3; c - CaCl2) and average density of foam concrete (1 - D200; 2 - D300; 3 - D400; 4 - D500; 5 - D600)
b
а
c
0
0
Одновременно установлен рост температуры твердеющего пенобетона с добавками в сравнении с составом без них, который составил для Na2SO4 -(2-3) °С, для СаСЬ ~(4-5) °С и для А12^04)3 -7 °С, отражая нарастающую активизацию процесса гидратации цемента в их присутствии. Изменение прочности образцов (серии по 6 шт.) затвердевшего пенобетона с добавками (рис. 2) свидетельствует о примерно равной эффективности применения добавок Л12^04)3 и СаС12, и меньшей -
Наиболее эффективным в пенобетоне оказался комплекс из добавок СаС12 и А1^04 в их оптимальной дозировке, составляющей 1 % СаС12 + + 1 % А1^04 от МЦ, который обеспечил ускорение роста пластической прочности и схватывания пенобетонной смеси для всего диапазона марок пенобетона по средней плотности ф200-0600), а также способствовал повышению темпа роста и уровня прочности пенобетона указанных марок до 150-180 % (т. е. в 1,5-1,8 раза) [4]. Одновременно это сочетание добавок исключает осадку пенобетонной смеси, характерную для пенобетона без них в начальные сроки (1 сут. ) твердения, а в более поздние сроки - ограничивает усадочные явления, включая влажностную усадку при высушивании пенобетона. Экспери-
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
ментально установлено, что в наибольшей мере эффективно их сочетание с добавкой метил-целлюлозы, в частности с «Гидроксипропилме-тилцеллюлозой УСК-200 ТТ» в дозировке 0,5 % от МЦ, что практически исключило усадку при высушивании пенобетона [5].
Также экспериментально выявлена эффективность (рис. 3) введения в пенобетон углеродного наноматериала (УНМ) белорусского производства, обеспечившего рост прочности пенобетона до 50 % к 7 сут. твердения и до 30 % -в проектном 28-суточном возрасте. Выявлена рациональная его разновидность (УНМ-ПХР) среди других, представленных разработчиком (ООО «Инновационные технологии», г. Минск) [6-8], а также установлены оптимальная дозировка этого вида УНМ, равная (0,025 ± 0,005) % от МЦ, и способ его введения в пенобетонную смесь в виде водной дисперсии, приготовленной на 1%-м растворе пластифицирующей добавки первой группы. Молекулы последней создают у поверхности частиц УНМ «экранирующую» оболочку, обеспечивая сохранение свойств пены, так как частицы УНМ без пластификатора способны снижать ее устойчивость («прорезать» пену).
Рис. 3. Фотографии микроструктуры пенобетона на микроскопе SUPRA 55-30-44: а1, а2 - контрольный пенобетон при увеличении 20 мкм и 2 мкм в 1 см соответственно; b1, Ь2 - пенобетон с УНМ при увеличении 20 мкм и 2 мкм в 1 см
Fig. 3. Photos of foam concrete microstructure on SUPRA 55-30-44 microscope: a1, a2 - control foam concrete with increase of 20 ^m and 2 ^m in 1 cm, respectively; b1, b2 - foam concrete with CNM with increase of 20 ^m and 2 ^m in 1 cm
Результаты электронной микроскопии (рис. 3) свидетельствуют, что введение УНМ в пенобетон в оптимальной дозировке обеспечило формирование более упорядоченной микроструктуры цементного камня в стенках пор, а также макроструктуры пенобетона в целом, что и является основой роста его прочности.
Экспериментально выявленные особенности технологии получения пенобетона с заданными свойствами создали необходимые предпосылки для разработки технологии керамзи-топенобетона.
Технология приготовления
керамзитопенобетона
Выявлены зависимости формовочных свойств керамзитопенобетонных смесей (в диапазоне указанной средней плотности) от объемного содержания (расхода) керамзитового гравия (рис. 4).
В процессе экспериментов установлено, что метод определения формуемости керамзитопе-нобетонной смеси по осадке стандартного конуса не пригоден для оценки этого показателя, так как полученные данным методом результаты несопоставимы. Одновременно установили приемлемость использования оценки по рас-плыву конуса (РК), обеспечившей сопоставимость результатов независимо от консистенции
керамзитопенобетонной смеси и изменения объемного содержания в нем керамзитового гравия (рис. 4). Из результатов экспериментов очевидна тенденция к снижению формуемости керамзитопенобетонной смеси с увеличением дозировки крупного керамзитового заполнителя (особенно, если его расход превышал 0,8 м3 на 1,0 м3 керамзитопенобетона), что предопределило необходимость использования пластифицирующих добавок.
70
65 60
S
s" 55
I 50
0 «
а 45
Л
1 40
CÖ
Рч
35 30 25
\ 1 D400)
4 ( Л
D700) 2 (D500
3 (D600
0 0,6 0,7 0,8 0,9 Расход керамзитового гравия, м3
Рис. 4. Зависимость подвижности (пластичности) керамзитопенобетонной смеси от расхода керамзитового гравия
Fig. 4. Dependence of mobility (plasticity) for claydite foam concrete mix on consumption of expanded clay gravel
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
В графической интерпретации на рис. 5 приведены экспериментальные данные, отражающие влияние на формуемость керамзито-пенобетонной смеси пластифицирующих добавок первой группы - суперпластификатора С-3 и добавки с повышенным водоредуцирующим эффектом - гиперпластификатора с маркировкой «Стахемент 2000» на примере смеси ке-рамзитопенобетона средней плотностью марки D600.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Расход керамзитового гравия, м3
Рис. 5. Зависимость формуемости (пластичности)
керамзитопенобетонной смеси от расхода керамзитового гравия и вида примененной добавки: 1 - 0,5 % «Стахемент-2000» от массы цемента; 2 - 2,0 % С-3 от массы цемента
Fig. 5. Dependence of formability (plasticity) of claydite foam concrete mix on consumption of expanded clay gravel and type of applied additive:
1 - 0.5 % "Stachement-2000" from MC;
2 - 2.0 % C-3 from MC
Выявлена тенденция роста эффективности пластификатора в смеси с повышением содержания в ней керамзита. По мнению автора, это связано с адсорбцией молекул ПАВ на поверхности зерен заполнителя и со снижением сил взаимодействия между его поверхностью и вязкопластичной массой пенобетонной смеси в зонах их контакта [4, 9, 10].
В результате установлено, что приемлемый для формования керамзитопенобетонной смеси уровень расплыва конуса (>30 см) может быть обеспечен при «предельном» объемном содержании в ней до 1 м3 керамзитового гравия (рис. 5, график 1).
Одной из задач при разработке технологии получения и практического применения керамзитопенобетона однородной структуры и свойств являлось определение допустимой высоты слоя смеси, единовременно укладываемой в опалубку (форму). Оценку однородности структуры керамзитопенобетона осуществили по данным о скорости прохождения ультразвукового импульса (далее - скорости ультразвука) (ГОСТ 17624-2012), а также по величинам его средней плотности и прочности (ГОСТ 12730.1-78 и ГОСТ 10180-2012), определенным для разных участков высоты образцов, отформованных за один прием и имитирующих фрагмент стены размерами в плане 90x400 мм при высоте 800 мм (рис. 6).
Рис. 6. Схема расположения мест оценки скорости ультразвука (а) и выбуривания (b) образцов (с)
для оценки плотности и прочности
Fig. 6. Arrangement of locations for evaluating speed of ultrasound (a) and for cutting (b) out samples (с)
for estimation of density and strength
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
b
а
с
Для оценки принят состав керамзитопено-бетона марки D500 (содержащий 0,8 м3 заполнителя), как примерно средний из диапазона марок D300-D700.
Экспериментально установлена стабильность свойств керамзитопенобетона по скорости прохождения ультразвука (в 40 точках) и по значениям средней плотности и прочности (на сжатие) при испытаниях образцов-цилиндров (060 мм, высота 90 мм; в серии - 6 шт.), отобранных из образцов-блоков после проведения испытаний ультразвуком (табл. 2).
Полученные данные подтвердили высокую степень однородности структурного строения оцениваемого керамзитопенобетона, его плотности и прочности, а также отсутствие осадки слоя керамзитопенобетона высотой 800 мм в процессе твердения как в начальные сроки, так и в проектном возрасте. Для пенобетона такой результат был обеспечен использованием комплекса химических добавок 1 % А12^04)3 + + 1 % СаС12 (рис. 1), которых в рассматриваемом случае в пенобетонной составляющей не было. Очевидно проявление структурирующей роли «каркаса» из зерен керамзита в керамзи-топенобетоне, а также то, что снижению осадки в начальный период и усадки при последующем твердении керамзитопенобетона способствовало снижение водотвердого (водоцемент-ного) (ЛВ/Т) отношения за счет водоредуциру-ющего эффекта примененного пластификатора, составившего для 0,5 % «Стахемент 2000» ~30 %. В итоге практически отсутствовала осадка данного образца и других, формуемых для последующих экспериментов.
Одновременно решали одну из задач исследований, заключающуюся в определении оптимального содержания (расхода) крупного заполнителя в керамзитопенобетоне с позиций влияния на свойства керамзитопенобетона. Результаты испытаний на прочность приведены в виде графиков на рис. 7 в зависимости от расхода керамзитового гравия. Образцы марок D400 (рис. 7, линия 1), D500 (линия 2) приготовлены на керамзитовом гравии фракции 4-10 мм, р°кг = 370 кг/м3, прочность при сдавливании в цилиндре 1,9 МПа (производство ОАО «Завод керамзитового гравия», г. Ново-лукомль), а марки D600 (линия 3) - на керамзито-
вом гравии фракции 4-10 мм, р°кг = 530 кг/м3, прочность при сдавливании в цилиндре 2,5 МПа (производство Петриковского керамзитового завода ОАО «Гомельский ДСК»). При этом экспериментально выявлена неоднозначная зависимость средней плотности и прочности ке-рамзитопенобетона от соотношения плотности и прочности связующего (пенобетона) и керамзитового гравия. Установлено, что для получения керамзитопенобетона марок D400 и D500 на особо легком керамзите (р°кг = 370 кг/м3, прочность 1,9 МПа) следует использовать пенобетон соответствующей средней плотности, но не более D500, и прочностью не менее 2,0 МПа. При этом прочность на сжатие керамзитопенобетона возрастает с увеличением дозировки гравия вплоть до 1,0 м3 керамзитопенобетона (рис. 7, линии 1, 2). С ростом средней плотности (марки D600 и более) необходимо использовать более прочный заполнитель (при сдавливании в цилиндре не менее 2,5 МПа), а в качестве связующего - пенобетон соответствующей марки по средней плотности, либо даже меньшей плотности (но не менее D350), при прочности не менее 1,2 МПа. Эти положения были учтены при разработке методики расчета составов керамзитопенобетона в диапазоне марок D300-D700. По совокупности приведенных экспериментальных данных сделан вывод, что оптимальное объемное содержание крупного заполнителя в керамзитопенобетоне соответствует примерно 0,7-0,8 м3 на 1,0 м3 бетона, и последующие исследования были выполнены на составах с учетом этого фактора.
Разработанный керамзитопенобетон - конструкционно-теплоизоляционный материал, для применения которого необходимы расчетные физико-механические характеристики, в частности - модуль упругости. Экспериментально установленная зависимость изменения модуля упругости керамзитопенобетона в диапазоне марок D400-D700 приведена на рис. 8. Для сравнения показаны его величины для равной средней плотности газосиликатного бетона по данным М. З. Симонова и С. М. Ицкови-ча [11, 12] и для пенобетона - по данным И. Х. На-назашвили и В. С. Дорофеева [13, 14].
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
Таблица 2
Результаты испытаний керамзитопенобетона марки D500 на однородность Test results on claydite foam concrete of D500 grade for uniformity
№ ряда при отборе образцов Среднее значение Величина коэффициента вариации, отражающая однородность керамзитопенобетона, доли ед. (%)
vCp, м/с Рср, кг/м3 Прочность По скорости ультразвука По средней плотности По прочности
по высоте на сжатие, МПа По горизонтали По вертикали Средняя
1(верх) 2261,67 498 2,61
2 2365,5 502 2,62
3 2439,25 503 2,69
4 2489,25 504 2,61 0,0316 (3,16) 0,0313 (3,13) 0,0314 (3,14) 0,0119 (1,2) 0,0415 (4,15)
5 2491,08 508 2,62
6 2475,75 511 2,68
7 2457,67 512 2,65
8 (низ) 2411,75 516 2,65
<
о ft С
а V 0,6
,е ю 0,5
и г з изс 0,4
К ипр 0,3<
0,2
ос онч о роП 0,1 0 0
7 Л
—Л - 1
2 V
1
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Расход керамзитового гравия, м3
Рис. 7. Тенденция изменения прочности керамзитопенобетона
Fig. 7. Tendency to change strength of claydite foam concrete
Очевидно, что по упругим свойствам керам-зитопенобетон не только не уступает, но и несколько превосходит газосиликатный бетон автоклавного твердения (рис. 8, линия 2) и, тем более, пенобетон (линия 3).
Далее были определены основные эксплуатационные свойства керамзитопенобетона (во-
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
допоглощение, влагоотдача, сорбционная влажность, паропроницаемость, теплопроводность и термическое сопротивление), подтверждающие возможность и эффективность его использования в наружных ограждающих конструкциях (табл. 3).
400 450 500 550 600 650 700 Средняя плотность, кг/м3
Рис. 8. Значения модуля упругости для: 1 - керамзитопенобетона во взаимосвязи с его средней плотностью; 2 - газосиликатного бетона; 3 - пенобетона
Fig. 8. Values of elastic modulus for: 1 - expanded clay foam concrete in relation to its average density; 2 - gas silicate concrete; 3 - foam concrete
При проектировании и устройстве наружных ограждающих конструкций из керамзитопенобетона следует обеспечивать требуемую величину термического сопротивления. На территории Республики Беларусь оно, согласно ТКП 45-2.04-43-2006, должно быть не менее Rm ~ 3,2 м2-оС/Вт, с перспективой дальнейшего повышения. В расчетах исходили из предположения, что керамзитопенобетон будет исполь-
зоваться в варианте устройства однослойной ограждающей конструкции, так как это наиболее экономически целесообразно. В этой связи при оценке обеспечиваемого термического сопротивления стен (или иных конструкций) разной толщины, возведенных (устроенных) из керамзитопенобетона разных марок по плотности, в расчет принимали только слой керамзи-топенобетона (табл. 4).
Согласно данным табл. 4, требуемый коэффициент термического сопротивления (R„ > > 3,2 м2-оС/Вт) обеспечивается одним слоем
керамзитопенобетона толщиной от ~290 мм до ~570 мм в диапазоне марок от D300 до D700 соответственно, что меньше (за счет меньшей теплопроводности), чем для пено- и газобетона равных марок по средней плотности. При этом керамзитопенобетон обеспечивает (как это установлено проведенными исследованиями) возможность возведения монолитных стеновых конструкций в опалубке с высокой степенью однородности свойств по высоте конструкций и темпом ведения бетонных работ.
Таблица 3
Физико-механические и эксплуатационные свойства керамзитопенобетона при расходе керамзитового гравия ~0,8 м3 Physical and mechanical and operational properties of claydite foam concrete with consumption of ~0,8 m3 expanded claydite gravel
Наименование показателя Свойство керамзитопенобетона в зависимости от марок по средней плотности
D400 D500 D600 D700
Прочность на сжатие (кубиковая), МПа 1,8 2,5 5,3 5,9
Прочность на растяжение при изгибе, МПа 0,25 0,30 0,53 0,61
Призменная прочность, МПа 1,3 2,3 3,4 4,3
Модуль упругости, ГПа 1,3 1,8 2,3 2,7
Водопоглощение (по массе), % 47,3 31,9 23,3 20,2
Сорбционная влажность, %, при: фвозд - 40 Фвозд - 60 фвозд - 100
- 0,89 - -
- 1,12 - -
- 5,32 - -
Влагоотдача (до стабилизации), % 21,8 14,1 11,1 10,3
Паропроницаемость, мг/(м-ч-Па) 0,260 0,241 0,231 0,219
Теплопроводность*, Вт/(м-°С) 0,099 0,121 0,137 0,177
* Для марки D300 - X ~ 0,09 Вт/(м-°С).
Таблица 4
Расчетный коэффициент термического сопротивления строительных конструкций при устройстве их из керамзитопенобетона
Estimated coefficient of thermal resistance of building structures while making them from expanded clay foam concrete
Коэффициент термического сопротивления, м2-°С/Вт Толщина слоя, м, керамзитопенобетона, обеспечивающая данное термическое сопротивление в зависимости от его средней плотности
D300 D400 D500 D600 D700
3,2 0,288 0,317 0,387 0,438 0,566
4,0 0,360 0,396 0,484 0,548 0,708
5,0 0,450 0,495 0,605 0,685 0,885
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
ВЫВОДЫ
1. Разработанная трехстадийная технология получения и применения в строительстве ке-рамзитопенобетона марок по средней плотности D300-D700 обладает преимуществом по физико-механическим характеристикам и эксплуатационным свойствам перед известными бетонами - аналогами ячеистой структуры. Установленные режимы двухстадийного приготовления пенобетонного связующего марок по средней плотности D200-D800 с требуемыми свойствами, обеспечивающими затем заданные качественные характеристики и свойства керамзитопенобетона в диапазоне марок D300-D700, приготавливаемого на третьей стадии путем введения в пенобетонную смесь керамзитового гравия в объеме 0,7-1,0 м при непрерывном смешивании в течение 60-90 с.
2. Выявлены наиболее эффективный вид и оптимальная дозировка (примерно 0,5-1,3 % от массы цемента в зависимости от марки по средней плотности) белкового пенообразователя Laston, а также наиболее рациональное сочетание ускорителя твердения CaCl2 и уплотняющей структуру цементного камня добавки Al2SO4 и их оптимальная дозировка (1 % CaCl2 + + 1 % Al2SO4), которая обеспечивает исключение осадки пенобетонной смеси, характерной для пенобетона без этих добавок, в начальные сроки (1 сут.) твердения, а в более поздние сроки - ограничивает усадочные явления, включая влажностную усадку при его высушивании. Кроме этого, указанный комплекс добавок способствует повышению темпа роста и уровня прочности пенобетона до 150-180 % (т. е. в 1,5-1,8 раза), а в сочетании с добавкой «Гидроксипропилметилцеллюлоза УСК-200 ТТ» (в дозировке 0,5 % от массы цемента) практически исключает усадку при высушивании как пенобетона, так и керамзитопенобетона.
3. Установлена возможность повышения прочности связующего (пенобетона) до 50 % к 7 сут. твердения и до 30 % - в проектном 28-су-точном возрасте за счет введения в состав углеродного наноматериала (УНМ-ПХР) в оптимальной дозировке (0,025 ± 0,005) % от массы цемента; разработан способ его введения в виде водной дисперсии, предварительно приготовленной на 1%-м водном растворе добавки пла-
стификатора первой группы (суперпластификатора). Выявлено, что адсорбция молекул ПАВ пластификатора на поверхности частиц УНМ обеспечивает его эффективность в пенобетоне; в противном случае частицы УНМ «прорезают» пену и прочность пенобетона снижается.
4. Выявлено, что полученный по разработанной технологии керамзитопенобетон на 5-31 % характеризуется большими значениями прочности и на 8-27 % - модуля упругости, на 10,0-83,2 % меньшими величинами водопоглощения и сорбционной влажности, а также обладает более высокой (на <30,7 %) способностью к влагоотдаче и паропроницае-мости (на 17,4-46,7 %) при меньшей (на 5-12 %) теплопроводности в сопоставлении с газосиликатным ячеистым бетоном автоклавного твердения и пенобетоном равных марок по средней плотности [15].
5. Производственная апробация результатов исследований подтвердила эффективность разработки за счет снижения материало- и трудоемкости возведения (устройства) конструкций зданий. Общий экономический эффект при объеме реализации керамзитопенобетона в 3020 м3 составил около 33915 дол. США (по курсу на декабрь 2018 г).
ЛИТЕРАТУРА
1. Жуков, Д. Д. Теплоизоляционные материалы и изделия / Д. Д. Жуков // Белорусский строительный рынок. 1999. № 14. С. 2-7.
2. Лыгач, И. О. Новые материалы и технологии для строительства зданий из легких энергоэффективных конструкций / И. О. Лыгач, М. М. Мордич // Архитектура и строительство. 2009. № 3. С. 34-37.
3. Лыгач, И. О. Новые материалы и технологии для возведения легких энергоэффективных зданий / И. О. Лы-гач, М. М. Мордич // Белорусский строительный рынок. 2008. № 8. С. 8-11.
4. Мордич, М. М. Влияние ускорителей твердения на физико-механические показатели качества пенобетона для монолитного строительства / М. М. Мордич // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров: материалы XX Междунар. науч.-метод. сем. ГрГУ имени Я. Ку-палы, Гродно, 2016 г. Гродно, 2016. С. 147-152.
5. Мчедолов-Петросян, О. П. Расширяющиеся составы на основе портландцемента (химия и технология) / О. П. Мчедолов-Петросян. М.: Стройиздат, 1965. 137 с.
6. Батяновский, Э. И. Теоретические предпосылки и эффективность использования углеродных наноматериа-лов в цементном бетоне / Э. И. Батяновский, П. В. Рябчиков, В. Д. Якимович // Проблемы современного
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
бетона и железобетона: сб. тр.: в 2 ч. / редкол.: М. Ф. Марковский [и др.]. Минск: Минсктиппроект, 2009. Ч. 2: Технология бетона. С. 100-117.
7. Рябчиков, П. В. Перспективы применения углеродных наноматериалов в технологии тяжелого бетона / П. В. Рябчиков, Э. И. Батяновский // ALITinform -Международное аналитическое обозрение «Цемент. Бетон. Сухие смеси». 2015. Т. 41, № 6. С. 26-35.
8. Батяновский, Э. И. Особенности применения углеродных наноматериалов в конструкционно-теплоизоляционных пенобетонах / Э. И. Батяновский, М. М. Мор-дич, Г. С. Галузо // Наука - образованию, производству и экономике: материалы IX Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 2011 г. Минск: БНТУ, 2011. С. 272-273.
9. Киселев, Д. П. Поризованные легкие бетоны / Д. П. Киселев, А. А. Кудрявцев. М.: Стройиздат, 1966. 81 с.
10. Тихомиров, В. Н. Пены. Теория и практика их получения и разрушения / В. Н. Тихомиров. М.: Химия, 1983. 264 с.
11. Симонов, М. З. Основы технологии легких бетонов / М. З. Симонов. М.: Стройиздат, 1973. 584 с.
12. Ицкович, С. М. Легкие бетоны / С. М. Ицкович, Г. С. Галузо. Минск, 1981. 25 с.
13. Наназашвили, И. Х. Строительные материалы, изделия и конструкции / И. Х. Наназашвили. М.: Высш. шк., 1990. С. 140-150.
14. Прочностные и деформативные свойства бетонов и конструкций на пористых заполнителях юга Украины / В. С. Дорофеев [и др.] // Проблемы современного бетона и железобетона: сб. тр.: в 2 ч. / Мин-во стр-ва и арх. Респ. Беларусь, Науч.-исслед. респ. предпр. по стр-ву «Институт БелНИИС»; редкол.: М. Ф. Марковский [и др.]. Минск: Минсктиппроект, 2009. Ч. 2: Технология бетона. С. 189-207.
15. Кривицкий, М. Я. Ячеистые бетоны: технология, свойства и конструкции / М. Я. Кривицкий, Н. И. Левин, В. В. Макаричев. М.: Стройиздат, 1972. 136 с.
Поступила 22.03.2019 Подписана в печать 29.05.2019 Опубликована онлайн 31.07.2019
REFERENCES
1. Zhukov D. D. (1999) Thermal-Insulating Materials. Belo-russky Stroitelny Rynok [Belarusian Construction Market], (14), 2-7 (in Russian).
2. Lygach I. O., Mordich M. M. (2009) New Materials and Technologies for Construction of Buildings From Light Power-Efficient Structures. Arkhitektura i Stroitelstvo [Architecture and Construction], (3), 34-37 (in Russian).
3. Lygach I. O., Mordich M. M. (2008) New Materials and Technologies for Construction of Light Energy-Saving Buildings. Belorussky Stroitelny Rynok [Belarusian Construction Market], (8), 8-11 (in Russian).
4. Mordich M. M. (2016) Influence of Hardening-Accelera-ting Agent on Physical and Mechanical Indices of Foam Concrete Quality for Cast-In-Situ Construction. Perspek-tivy Razvitiya Novykh Tekhnologii v Stroitel'stve i Podgo-
tovke Inzhenernykh Kadrov: Materialy XX Mezhdu-nar. Nauch.-Metod. Sem. GrGU imeni Ya. Kupaly, Grodno, 2016 g. [Prospects for Development of New Technologies in Construction and Training of Engineering Personnel: Proceedings of XX International Scientifc and Methodological Workshop of Yanka Kupala State University of Grodno, 2016]. Grodno, 2016, 147-152 (in Russian).
5. Mchedolov-Petrosyan O. P. (1965) Portland Cement-Based Expanding Composition (Chemistry and Technology). Moscow, Stroyidat Publ. 137 (in Russian).
6. Batyanovsky E. I., Ryabchikov P. V., Yakimovich V. D. (2009) Theoretical Prerequisites and Efficiency for Use of Carbonic Nano-Materials in Cement Concrete. Prob-lemy Sovremennogo Betona i Zhelezobetona: Sb. Tr. Ch. 2. Tekhnologiya Betona [Problems of Modern Concrete and Reinforced Concrete: Collected Papers. Part 2. Concrete Technology] Minsk, Minsktipproyekt Publ., 100-117 (in Russian).
7. Ryabchikov P. V., Batyanovsky E. I. (2015) The Prospects of Application of Carbon Nanomaterials in the Heavy Concrete Technology. ALITinform - Mezhdunarodnoe Analiticheskoe Obozrenie "Tsement. Beton. Sukhie Sme-si" = ALITinform - International Analytical Review "Cement. Concrete. Dry Mix", 41 (6), 26-35 (in Russian).
8. Batyanovsky E. I., Mordich M. M., Galuzo G. S. (2011) Peculiar Features for Application of Carbonic Nano-Mate-rials in Constructional and Thermal Insulation Foam Concrete. Nauka - Obrazovaniyu, Proizvodstvu i Ekonomike: Materialy IX Mezhdunar. Nauch.-Tekhn. Konf., Minsk, 2011 g. [Science for Education, Industry and Economics: Proceedings of IX International Scientific and Technical Conference, MInsk, 2011]. Minsk, Belarusian National Technical University, 272-273 (in Russian).
9. Kiselev D. P., Kudryavtsev A. A. (1966) Light-Weight Porous Concrete. Moscow, Stroyizdat Publ. 81 (in Russian).
10. Tikhomirov V. N. (1983) Foam. Theory and Practice for its Obtaining and Destruction. Moscow, Khimiya Publ. 264 (in Russian).
11. Simonov M. Z. (1973) Fundamentals of Technology for Light-Weight Concrete. Moscow, Stroyizdat Publ. 584 (in Russian).
12. Itskovich S. M., Galuzo G. S. (1981) Light-Weight Concrete. Minsk, 1981. 25 (in Russian).
13. Nanazashvili I. Kh. (1990) Construction Materials, Products and Structures. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 140-150 (in Russian).
14. Dorofeev V. S. [et al.] Strength and Deformative Properties of Concrete and Structures with Porous Aggregates of South Ukraine. Problemy Sovremennogo Betona i Zhelezobetona: Sb. Tr. Ch. 2. Tekhnologiya Betona [Problems of Modern Concrete and Reinforced Concrete: Collected Papers. Part 2. Concrete Technology]. Minsk, Minsktipproyekt Publ., 189-207 (in Russian).
15. Krivitsky M. Ya., Levin N. I., Makarichev V. V. (1972) Cellular Concrete: Technology, Properties and Structures. Moscow, Stroyizdat Publ., 136 (in Russian).
Received: 22.03.2019 Accepted: 29.05.2019 Published online: 31.07.2019
Наука
итехника. Т. 18, № 4 (2019)
