CC BY
25УДК 666.173:622.245.422
Д.В. ОРЕШКИН, д-р техн. наук, К.В. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, В.С. СЕМЕНОВ, инженер, Московский государственный строительный университет
Теплофизические свойства, пористость и паропроницаемость облегченных цементных растворов*
Проблема паропроницаемости ограждающих конструкций является очень важной и достаточно неоднозначной. Паропроницаемость напрямую связана с пористостью материала и другими теплофизическими свойствами. Способность стены пропускать воздух при различной его влажности всегда считалась положительным качеством. Считается, что за счет этого происходит воздухообмен в помещениях, высушивание стен при использовании мокрых процессов при строительстве, например кладочные, штукатурные работы при возведении и отделке кирпичных стен. К сожалению, это приводит к большим потерям тепла через ограждающие конструкции. По данным О.Д. Самарина [1], В.Г. Гагарина и др. ученых, доля теплопотерь в жилых зданиях через наружные стены составляет 15—20% от общих энергозатрат на отопление, горячее водоснабжение, вентиляцию. А доля теплопотерь через наружные ограждающие конструкции составляет около 50% [1].
Как указывалось в работах [2, 3, 4], строительные растворы с ПСМС (полыми стеклянными микросферами) полностью соответствуют стандарту по средней плотности, водоудерживающей способности, прочности при сжатии, изгибе и сцеплению с различными подложками. Такие растворы имеют водоудерживающую способность 90—98%, морозостойкость от 25 до 50 циклов замораживания и оттаивания. У таких материалов средняя плотность в свежеприготовленном состоянии от 650 до 1450 кг/м3 при прочности на сжатие 1,9—16,5 МПа, при изгибе 0,9—5,5 МПа. Средняя плотность при этом зависит от расхода микросфер, в данном случае при расходе ПСМС 10—50% от массы портландцемента соответственно. При сравнении растворов с погружением конуса 4—8 см, 8—10 см, 10 —14 см было выяснено, что чем меньше погружение конуса, тем выше водоудерживающая способность растворов с ПСМС. Это объясняется поверхностной активностью микросфер. В растворе с погружением конуса от 4 до 8 см поверхностные силы микросфер, цементных частиц
Таблица 1
Состав, мас. % 100% ПЦ+ Теплопроводность раствора при естественной влажности, Вт/(м°С) Теплопроводность раствора в сухом состоянии, Вт/(м°С)
10 ПСМС + СП 0,26 0,21
30 ПСМС + СП 0,22 0,16
50 ПСМС + СП 0,18 0,085
и новообразований обеспечивают водоудерживающую способность до 98%. Были получены данные по теплопроводности для кладочного раствора при естественной влажности и в сухом состоянии. Результаты приведены в табл. 1.
В работах [2, 3] был сделан вывод, что увеличение расхода полых стеклянных микросфер повышает водо-потребность строительного раствора при одинаковой его подвижности. Известно, что приблизительно 25% воды затворения от массы цемента химически связывается при гидратации. Остальная вода используется для придания необходимой подвижности раствору. Следовательно, образуются поры. Их размеры, объем зависят от количества воды затворения и ее распределения в материале. Пористость является элементом структуры и во многом определяет свойства цементного раствора [4, 5, 6, 7]. Введение суперпластификатора С-3 в цементный материал изменяет его свойства. Это связано с модификацией структуры камня.
Молекула воды имеет диаметр 28—35 нм, и пары воды способны адсорбироваться на поверхности мельчайших пор. Был проведен эксперимент по определению пористости по сорбционной влажности по методике А.Г. Перехоженцева [6]. Она позволяет получать достоверные результаты для пор с гидравлическим радиусом до 1х10"7 м. В этот диапазон по классификации Г.И. Горчакова входят гелевые, капиллярные и воздушные поры. Гелевые поры имеют размеры меньше, чем 1х10-7 м, капиллярные — от 1х10 до 1х10-7 м, воздушные поры — больше 1х10-5 м.
Введение модификатора структуры в цементный материал с ПСМС улучшает структуру материала, делает ее более однородной и с более мелкой пористостью за счет уменьшения количества воды затворения и соответственно уплотнения структуры [3, 4, 5]. Было установлено [3, 4], что поверхностные силы микросфер экранируются суперпластификатором. Это позволяет создать однородную по плотности и прочности структуру. Такой материал в интервале температур от -60 до +95оС обладает хорошей термической совместимостью с цементной матрицей, оцениваемой по температурному коэффициенту линейного расширения. Количество гелевых пор с увеличением расхода микросфер сокращается, а количество капиллярных и воздушных пор увеличивается. Автор связывает это с тем, что с ростом расхода микросфер увеличивается количество воды затворения. Особенно это видно на примере капиллярной пористости, которая формируется под действием поверхностных сил микросфер. За счет них на оболочке микросфер
* В статье использованы результаты работы в рамках Государственного контракта № 02.552.11.7074, по теме: «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области моделирования, разработки, прогнозирования, исследования эффективности, надежности энергоресурсосберегающих конструкций и материалов для строительства и реконструкции (на примере объектов образования и науки РФ) в Центре коллективного пользования научным оборудованием».
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы- ® август 2010 51
16 14 12 10 8 6 4 2
ПЦ+10%ПСМС ПЦ+10%ПСМС+СП
80 90 97 W,'
Рис. 1. Изотермы сорбции кладочного раствора при погружении конуса 4-8 см
образуется весьма плотный слой продуктов гидратации цемента. Несколько микросфер с плотным слоем на поверхности каждой образуют своеобразный комплекс с межмикросферным пространством, в котором формируется неоднородная по сравнению с контактным слоем структура с капиллярной пористостью. Известно, что при модификации цементных материалов при одинаковой подвижности растворов происходит уплотнение структуры за счет снижения водопотребности. Более того, это делает ее более однородной и с более мелкой пористостью за счет уменьшения количества воды затво-рения.
Анализ изотерм сорбции позволяет судить о поровой структуре камня с ПСМС. Результаты представлены на рис. 1 и 2. Размер молекулы воды в данном эксперименте принят 35 нм. При низкой относительной влажности водяные пары адсорбируются на поверхности мельчайших пор. Теоретические основы данного вопроса предполагают, что цементный материал во время данных исследований не изменяется и гидратация не происходит.
Анализ позволяет заключить, что сорбционная влажность увеличивается с повышением относительной влажности пара или воздуха внутри эксикатора для всех составов. При низкой относительной влажности пар адсорбируется в самых мелких порах. Максимальная относительная влажность, при которой возможно опреде-
1,2 1
* 0,8 £ 0,8 0,4 0,2 0
Р/Рз
0,9 0,94
0,965 0,975 0,982 0,986 0,999
1,39 1,60 1,85 2,04 2,34 2,57 2,!
1д Е-08т)
2,94 3,09 3,19 5,33
Рис. 3. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 10% ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 4-8 см
Р/Р.
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
з
0,94
0,965 0,975 0,982 0,986 0,999
50 40 30
оч 20 е 10 0
1,39 1,60 1,85 2,04 2,34 2,57 2,8 2,94 3,09 3,19 5,33 1д Е-08т)
Рис. 5. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 50% ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 8-10 см
ПЦ+10%ПСМС ПЦ+10%ПСМС+СП
90 97 W,%
Рис. 2. Изотермы сорбции кладочного раствора при погружении конуса 10-14 см
ление сорбционной влажности и которой можно достигнуть в лабораторных условиях, равна 97—98%. Значения сорбционной влажности возрастают при увеличении расхода микросфер и подвижности раствора.
После компьютерной обработки получены графики дифференциального и интегрального распределения пор по диаметрам. Результаты изображены на рис. 3, 4, 5, 6. На них условно соединены кривые дифференциального и интегрального распределения пор при Р/Р8 > 0,97—0,98 или 97—98% . Результаты приведены в табл. 2 и 3. Удалось количественно оценить гелевую, капиллярную, воздушную пористость цементной матрицы в зависимости от состава и погружения конуса. В этой таблице самая высокая гелевая пористость, самая низкая капиллярная и воздушная пористость определены у камня при погружении конуса 4—8 см. С увеличением погружения конуса гелевая пористость снижается, а капиллярная и воздушная возрастает. То же происходит при повышении расхода микросфер.
Стоит отметить, что гелевая пористость максимальна при расходе ПСМС 10% от массы ПЦ и равна 94% от всей пористости цементной матрицы (см. табл. 2). Самая низкая гелевая пористость при расходе микросфер 50% и погружении конуса 10—14 см. Все данные зависимости имеют одинаковое объяснение. Оно связано с количеством воды затворения, которая по-разному распределяет-
Р/Рз
ПО ПК П 7 ПО ПП
3,5 3
2,5
* 2 % 2
> 1,5 1
0,5 0
з
0,94
0,965 0,975 0,982 0,986 0,999
40
35
30 25 %
20 %, 15е 10 5 0
1,39 1,60 1,85 2,04 2,34 2,57 2,!
1д Е-08т)
2,94 3,09 3,19 5,33
Рис. 4. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 50% ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 4-8 см
Р/Рз
3,5 3 2,5
* 2 % 2
> 1,5 1
0,5 0
0,94 0,965 0,975 0,982 0,986 0,999
50 40 30
%
20 е" 10 0
1,39 1,60 1,85 2,04 2,34 2,57 2,8 2,94 3,09 3,19 5,33 1д Е-08т)
Рис. 6. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 50% ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 10-14 см
0,5
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ¡Д^ |'3
52 август 2010
Таблица 2
Состав, мас. % 100% ПЦ + 1% СП+ Пористость затвердевшего раствора при погружении конуса, %
4-8 см 8-10 см 10-14 см
гелевая капиллярная воздушная гелевая капиллярная воздушная гелевая капиллярная воздушная
10 ПСМС 94 5,2 0,8 90 9 1 78,1 19,9 2
30 ПСМС 87,4 10,6 2 76,4 21,2 2,4 68,9 28 3,1
50 ПСМС 80,6 15,3 4,1 70 25 5 62 31 7
Таблица 3
Состав, мас. % 100% ПЦ+ Пористость затвердевшего раствора при погружении конуса, %
4-8 см 8-10 см 10-14 см
матрицы ПСМС общая матрицы ПСМС общая матрицы ПСМС общая
10 ПСМС+1 СП 9,6 18,9 28,5 11 21,8 32,8 12,6 25,1 37,7
30 ПСМС+1 СП 25,5 27,2 52,7 29 31,8 60,8 33,3 36,5 69,8
50 ПСМС+1 СП 36,5 31,8 67,3 42 36,3 78,3 46 42,1 88,1
Таблица 4
Состав,мас. % 100 %ПЦ+ Паропроницаемость строительного раствора при погружение конуса
4-8 см 8-10 см 10-14 см
Паропроницаемость, мг/(м.ч.Па) Сопротивление паропроница-нию, м2.ч.Па/мг Паропроницае-мость, мг/(м.ч.Па) Сопротивление паропроница-нию, м2.ч.Па/мг Паропроницае-мость, мг/(м.ч.Па) Сопротивление паропроница-нию, м2.ч.Па/мг
10 ПСМС+1СП 0,0063 1,196 0,0076 1,015 0,0087 0,915
30 ПСМС+1СП 0,0254 0,35 0,0305 0,328 0,0351 0,273
50 ПСМС+1СП 0,0415 0,231 0,0498 0,2 0,0573 0,187
ся при смачивании микросфер и частиц цемента в начале процесса гидратации, затем загустевания, твердения и набора прочности раствора и камня. Все механические свойства у затвердевшего раствора с ПК = 4—8 см выше, чем у остальных растворов с ПСМС. Это подтверждают также и микроструктурные исследования. Большая геле-вая пористость цементной матрицы является хорошей предпосылкой для разработки цементных материалов для условий знакопеременных температур.
В работе [4] был произведен расчет толщины слоев воды вокруг микросфер при смачивании для тампонаж-ных растворов. Автором было принято, что средние размеры частиц цемента 35,9 мкм, ПСМС — 25,45 мкм. У всех микросфер толщина слоя воды вокруг частиц практически не зависит от их расхода в тампонажном растворе. Одинаковая толщина водяного слоя отмечается у аппретированных микросфер — АПСМС — 4,44 мкм. Форма частиц цемента и микросфер считалась шарообразной. Упаковка частиц гексагональная с пустот-ностью 26%. Самые низкие значения толщины слоя воды вокруг частиц в цементном растворе имеют АПСМС с суперпластификатором.
Поскольку стеклянные микросферы являются полыми, эту пористость тоже надо учесть. Такая пористость была количественно вычислена. Была также определена пористость цементной матрицы и общая пористость. Результаты представлены в табл. 3. Анализ данных говорит о том, что общая пористость затвердевшего раствора повышается по мере роста погружения
конуса и расхода ПСМС. Самая низкая общая пористость наблюдалась у состава с 10% ПСМС + 1% СП при ПК = 4—8 см и составляет 28,5% при пористости матрицы 9,6%. Самая большая общая пористость у состава с 50% ПСМС + 1% СП с ПК = 10-14 см составляет 88,1% при пористости матрицы 46%.
Таким образом, самую низкую пористость имеет состав с 10% микросфер, а самую высокую — с 50% ПСМС. Общая пористость у последнего состава достигает 88,1%, что с учетом прочностных данных говорит о высокой эффективности таких растворов. Причем пористость матрицы составляет от 1/3 до половины общей пористости у растворов с 10% и 50% ПСМС соответственно.
Строительные растворы предназначены для кладки, оштукатуривания наружных и внутренних стен жилых и общественных зданий. В таких условиях весьма вероятна различная влажность и температура воздуха в помещениях и окружающей среде. Поэтому были проведены исследования паропроницаемости строительных растворов с полыми стеклянными микросферами и суперпластификатором С-3. Результаты представлены в табл. 4.
Анализ табл. 4 говорит о том, что паропроницаемость строительных растворов с полыми стеклянными микросферами значительно ниже, чем у ячеистых бетонов такой же плотности. Это позволит существенно сократить потери тепла и снизить градиент усадки в результате влагопереноса через стены. Паропроницае-мость для неавтоклавного газобетона со средней плот-
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы- ® август 2010 53
ностью 450 —500 кг/м3 равна 0,2—0,22 мг/(м-ч-Па). У кладочного раствора с ПСМС и СП (погружение конуса 8—10 см) паропроницаемость при плотности 540 кг/м3 равна 0,03 мг/(м-ч-Па), что в 6,7 раза меньше [5]. Соответственно сопротивление паропроницанию будет во столько же раз больше.
Дальнейший анализ табл. 4 говорит о том, что паропроницаемость снижается по мере уменьшения подвижности раствора с 10—14 см до 4—8 см. Это снижение составляет 38—38,2%. Рост сопротивления паропрони-цанию в этих условиях находится в пределах от 20,1 до 28,2%. Для справки, рубероид имеет сопротивление па-ропроницанию 1,1 м2-ч-Па/мг.
Исследования коэффициента паропроницания и сопротивления паропроницанию позволяют говорить о том, что по показателям паропроницаемости раствор с 10% ПСМС и СП соответствует рубероиду, но является цементным. Следовательно, при такой паропроницае-мости потери тепла через наружные стены и усадка при высыхании будут существенно ниже.
Таким образом, строительные цементные растворы с полыми стеклянными микросферами являются энергоэффективными. Для такого заключения есть некоторые предпосылки. Во-первых, полые стеклянные микросферы являются водо- и паронепроницаемыми, следовательно, массоперенос осуществляется по длинному пути вокруг ПСМС. Во-вторых, паропроницаемость таких растворов зависит от количества микросфер, а значит, от средней плотности матрицы и ее пористости и паропро-ницаемости. В-третьих, низкая паропроницаемость есть путь к повышению трещиностойкости за счет равномерной и достаточно долговременной усадки. В-четвертых, высокие прочностные показатели камня, низкая средняя плотность микросфер, за счет этого высокая удельная прочность, большая пористость затвердевшего раст-
вора делают данный материал обладателем уникальных показателей качества. В-пятых, такой раствор производится из кондиционных высококачественных ингредиентов, серийно выпускаемых промышленностью, что позволяет получать однородный по свойствам и надежный в эксплуатации строительный раствор.
Ключевые слова: облегченные и сверхлегкие строительные растворы с полыми стеклянными микросферами, теплофизические свойства, пористость, изотермы сорбции, паропроницаемость.
Список литературы
1. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. М.: АСВ, 2009. 296 с.
2. Орешкин Д.В. // Строит. материалы. 2010. № 6. С. 29-33.
3. Кириллов К.И., Орешкин Д.В. Эффективные кладочные растворы // Сб. докл. научно-техн. конф. «Строительная физика в XXI веке». - М.: НИИСФ, 2006. С. 120-133.
4. Первушин Т.Н., Орешкин Д.В. Проблемы трещинос-тойкости облегченных цементных материалов. Ижевск: ИжГТУ 2003. 212 с.
5. Орешкин Д.В., Фролов А.А., Ипполитов В.В. Проблемы теплоизоляционных тампонажных материалов для условий многолетних мерзлых пород. М.: Недра. 2004. 232 с.
6. Перехоженцев А.Г. Вопросы теории и расчета влаж-ностного состояния неоднородных участков ограждающих конструкций зданий. Волгоград: ВолгГА-СА, 1997. 273 с.
7. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Стройиздат. 1986. 688 с.
Активатор
/0\\ измельчение активацйя синтез
Российские промышленные эллиптические шаровые мельницы "Активатор" интенсивного помола.
Activator-C100 Ас1™Шг-С500 Activator-СШО Activate г-С 5000
произв-сть 100 «г/ч 500 кг/ч 1000 кг/ч 5000 кг/ч
тонина помола 1-3 мкм 4-7 мкм 20-50 мкм 50-70 мкм
потребляемая мощность 5,5 кВт/ч 11 кВт/ч 30 кВт/ч 75 кВт/ч
габариты, мм 1020»570»1230 1122x750»1500 1710»925»1815 2850»1700»2950
Результаты активации цемента и помола материалов -на нашем сайте.
• Все мельницы проксдят испытания на Мельницы "Активатор" производятся топы Вашем материале, а дисперсный состав по оригинальным чертежам разработчика помолотых порошков тестируется а защищены Патентами РФ №18501, N633037 лаборатории. на полезные модели. Патентообладатель:
ЗАО "Активатор".
www.activator.ru »
Новосибирск, Софийская 18, оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 8 (383) 325-18-49 Теп: 8 913 942 94 81 e-mail: belyaev@activator.ru
подготовка
ШИХТЫ ДЛЯ
керамической плитки
помол активация смешение
пигментов получение цемента компонентов сухих смесей пенобетона
Реклама
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (g.^ rj ^ Г f 2 j | Lj;. | LJ й
54 август 2010
