CC BY
11DOI: 10.12737/article_5a27cb86c33964.15907428
Сулейманова Л.А., д-р техн. наук, проф., Погорелова И.А., канд. техн. наук, доц., Марушко М.В., аспирант, Огнев Н.В., студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова ВИБРОВАКУУМИРОВАННЫЕ ГИПСОСОДЕРЖАЩИЕ КОМПОЗИТЫ
ludmilasuleimanova@yandex.ru
Пористую структуру бетона можно получить не только за счет выделения газа, но и, как следует из уточненного уравнения Рэлея-Плессета, за счет фактора внешнего давления. Вибровакуумный способ поризации формовочных смесей позволяет получать обширную гамму эффективных строительных материалов с пористой структурой, одним из которых является поризованный гипсобетон.
Ключевые слова: вибровакуумирование, ячеистые бетоны, пористая структура, поризованный гипсобетон, гипсосодержащие композиты.
Ячеистые бетоны традиционно получают с использованием газообразователя (газобетон) или пенообразователя (пенобетон), причем повышенного его количества. Однако пористую структуру бетона можно получить не только за счет выделения газа, но и, как следует из уточненного уравнения Рэлея-Плессета (1), за счет фактора внешнего давления [1-3].
, + 3 ^ + М + Р^ С1)
Рг + РП = Ра + Рсм +Рсм\РР +~ Р2 1 +
В уравнении (1) Рг и Рп давление в газовой фазе поры соответственно водорода и водяного пара. Давление в жидкой фазе представлено в виде суммы атмосферного давления Ра и избыточного давления над смесью Ршб. Для промышленно применяемых технологий Рюб = 0 и процесс газообразования протекает в смеси при атмосферном давлении. При вакуумировании воздушного пространства над смесью Ршб имеет отрицательную величину, что является предметом отдельного рассмотрения.
Гидростатическое давление смеси .Ром:
Рсм = Рсм •£•#, (2)
где рсм принята равной 1800 кг/м3; Н - высота смеси над порой, м.
Давление, обусловленное инерционным сопротивлением смеси Ри:
Р =р \ЯЯ + -Я2
и г см\ ^
Капиллярное давление Рк: 2а
Рк =
Я
(3)
(4)
где о - поверхностное натяжение жидкой фазы в смеси, принимаемое равным величине поверхностного натяжения воды.
Давление, вызванное вязкостным сопротивлением смеси Рц:
Р,= , (5)
где п - вязкость ячеистобетонной смеси.
Установлена взаимосвязь между давлением газовой фазы в формовочной массе с ее реологическими и гравитационными свойствами, диаметром пор, давлением внешней среды и поверхностным натяжением раствора при различных внешних воздействиях на формовочную смесь.
Одним из способов вспучивания вязких композиций является снижение давления (Ризб) воздуха над смесью или вспучивание смеси в вакууме. Уменьшение давления над смесью обеспечивает расширение газовой поры с компенсацией сил тяжести и инерции, Лапласа и вязкости в соответствии с уточненным уравнением Рэлея-Плессета (1). Это реализовано в разработанной вакуумной технологии формирования пористой структуры ячеистого бетона.
Определяющая роль давления над поризуе-мой смесью при формировании ячеистой структуры композита достигается за счет его снижения до уровня вакуума, соответствующего 0,06.. .0,095 МПа.
При вспучивании вязких смесей с низким водовяжущим отношением наряду с вакуумом возможны динамические воздействия на смесь, снижающие значимость сил вязкости.
Совместное воздействие вакуума и вибрации реализовано в разработанной вибровакуумной технологии формирования пористой структуры ячеистого бетона.
Вибровакуумный способ поризации формовочных смесей позволяет получать обширную гамму строительных материалов с пористой структурой, в частности получать и поризован-ный гипсобетон [4-6]. Сущность его заключается
в том, что если в формовочной массе содержатся зерна с защемленным в них в любой форме воздухом, то при создании вакуума над смесью этот воздух извлекается и поризует ее. При этом смесь вспучивается. Однако в процессе сдвигового деформирования вспучиваемой массы в ее структуре возникает множество локальных разрывов сплошности, которые фиксируются при твердении материала и существенно должны снижать его прочность и долговечность. Поэтому с целью ликвидации структурной дефектности, возникающей при вспучивании, целесообразно смесь вибрировать в процессе вспучивания, что должно привести к снижению дефектности структуры и повышению прочности гипсобетона.
Исследования показывают, что указанные выше локальные разрывы сплошности устраняются лишь при вибрировании, параметры которого обеспечивают достижение минимального уровня вязкости системы, соответствующие разрыву всех коагуляционных контактов между частицами [7].
Таблица 1
Результаты испытания вакуумированного гипсобетона
В исследованиях использовался строительный гипс в - модификации марки Г-6 со сроками начала и конца схватывания 4 и 0 минут. Формовались кубы размером 10^10^10 см, которые твердели в естественных условиях, высушивались до постоянной массы и испытывались через 28 суток.
Режимы формования образцов:
— вакуумирование: после укладки смеси в форму, она помещалась в вакуумкамеру, в которой создавался заданный вакуум, и выдерживалась в вакууме до фиксации полученной структуры.
— вибровакуумирование: данный режим отличался тем, что во время увеличения вакуума в камере смесь подвергалась дополнительно вибрированию. После достижения необходимого вакуума вибрация прекращалась, а смесь выдерживалась в вакууме до фиксации структуры.
Результаты испытаний образцов поризо-ванного гипсобетона по двум режимам представлены в табл. 1, 2.
Таблица 2
Результаты испытания вибровакуумированного гипсобетона
№№ В/Г Вакуум, Средняя Прочность
п/п МПа плотность, кг/м3 на сжатие, МПа
1 0,06 903 3,75
2 0,065 918 2,6
3 0,4 0,07 900 2,6
4 0,075 824 3,2
5 0,08 830 1,2
6 0,085 760 1,6
7 0,09 722 1,4
8 0,095 688 0,89
9 0,06 851 2,0
10 0,065 805 1,8
11 0,07 780 1,7
12 0,5 0,75 775 1,6
13 0,08 737 1,5
14 0,085 722 1,2
15 0,09 647 0,69
16 0,095 629 0,55
17 0,06 764 0,88
18 0,065 707 1,06
19 0,07 720 0,99
20 0,6 0,075 707 0,78
21 0,08 693 0,57
22 0,085 664 0,9
23 0,09 630 0,44
24 0,095 567 0,24
25 0,06 698 0,69
26 0,065 678 0,85
27 0,07 691 0,31
28 0,7 0,075 633 0,63
29 0,08 766 3,32
30 0,085 748 2,7
31 0,09 697 1,28
32 0,095 648 1,41
№№ В/Г Вакуум, Средняя Прочность
п/п МПа плотность, на сжатие,
кг/м3 МПа
1 0,4 0,06 1012 13,1
2 0,65 1035 13,5
3 0,07 988 10,75
4 0,075 963 12,85
5 0,08 962 10,9
6 0,085 880 8,4
7 0,09 730 3,3
8 0,095 689 5,1
9 0,5 0,06 818 3,7
10 0,65 838 3,18
11 0,07 835 3,6
12 0,075 785 2,8
13 0,08 780 3,06
14 0,085 712 2,69
15 0,09 794 6,8
16 0,095 663 5,1
17 0,6 0,06 797 6,8
18 0,65 791 2,4
19 0,07 750 2,4
20 0,075 797 6,24
21 0,08 770 6,4
22 0,085 696 1,8
23 0,09 689 4,3
24 0,095 522 1,28
25 0,7 0,06 655 1,13
26 0,65 700 1,4
27 0,07 688 1,67
28 0,075 713 3,5
29 0,08 725 2,97
30 0,085 680 1,29
31 0,09 783 2,06
32 0,095 727 1,55
Результаты опытов со всей убедительностью подтверждают, что при прочих равных условиях вибрирование формовочной смеси во время вспучивания существенно повышает прочность гипсобетона. Так, например, при водогип-совом отношении В/Г = 0,4 и величине вакуума 0,07 МПа образцы, изготовленные без вибрирования, имели р = 900 кг/ м3, Я = 2,6 МПа, а приготовленные с вибрацией р = 988 кг/м3 и Я = 10,75 МПа; при вакууме 0,085 МПа композит имел следующие характеристики: р = 880 кг/ м3, Я = 8,4 МПа, т.е. прочность кубов, полученных с применением вибрации, увеличилась в 3 и более раз.
Построены зависимости средней плотности и прочности поризованного гипсобетона от В/Г отношения при различных режимах формования образцов (рис. 1-4).
Анализ закономерностей изменения прочности и средней плотности отформованных при различных режимах образцов показывает, что если при формовании кубов не используется вибрация, то при повышении вакуума до 0,07 МПа с увеличением В/Г отношения снижается средняя плотность и прочность гипсобетона (рис. 1, 2). При более высоком вакууме (0,08 МПа и выше) до В/Г = 0,55.0,6 сохраняется такая же закономерность, а при более высоких значениях В/Г отношения наблюдается обратная картина. Особенно такая закономерность четко проявляется при изменении средней плотности, что объясняется тем, что при высоких значениях В/Г отношения и вакуума воздух, содержащийся с формовочной смеси, уже не удерживается ею и удаляется из массы, что естественно повышает плотность и прочность материала. Вязкость смеси в таких условиях достигает предельных значений, при которых масса уже не в состоянии удерживать газ и вспучиваться.
3.35 3.355 3.37 3 37: 0,0£ 0.3S5 0.3Э З.ЗЭ: Вакуум, MII.)
Рис. 1. Зависимость средней плотности вакуумированного гипсобетона от В/Г и величины вакуума
0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 Вакуум, МПа
Рис. 2. Зависимость прочности на сжатие вакуумированного гипсобетона от В/Г и величины
вакуума
3 3S 3 35: 3,37 0.0 7: 3.3S 3.3S: 3 39 3 39: Вакуум, МПа
Рис. 3. Зависимость средней плотности вибровакуумированного гипсобетона от В/Г и величины вакуума
0,06 0.065 0,07 0.075 0,08 0.085 0,09 0.095 Вакуум, МПа
Рис. 4. Зависимость средней прочности на сжатие вибровакуумированного гипсобетона от В/Г и величины вакуума
В целом аналогичная закономерность наблюдается и при формовании образцов с применением вибрации. Однако, в этом случае вибрирование повышает воздухоудерживающую способность формовочной смеси и поэтому даже при вакууме, равном 0,08 МПа, воздух не удаляется из нее и с увеличением В/Г отношения средняя плотность четко, а прочность гипсобетона с колебаниями снижаются (рис. 3, 4). И только при высоком вакууме порядка 0,095 МПа и В/Г больше 0,6 воздух при вибровакуумировании
удаляется из смеси, что приводит к увеличению плотности и прочности материала.
Таким образом, установлены закономерности влияния В/Г отношения и режима формования образцов на их среднюю плотность и прочность на сжатие, что дает возможность определять оптимальные технологические параметры для получения наиболее эффективных поризо-ванных гипсобетонов.
Отработаны эффективные вакуумная и вибровакуумная технологии получения газогипсовых композитов, основанные на теоретических результатах изучения системы «полуводный гипс-вода», поризация которой наиболее эффективна при использовании вяжущих с определенной морфологией сложно структурированной поверхности новообразований с защемленным и адсорбированным воздухом на поверхности частиц, так называемых адсорбционных центрах этого вяжущего [8-11]. В состав вяжущих с менее сложной структурированной поверхностью новообразований (гипсовые вяжущие а — модификации) целесообразно введение высокопористых компонентов, которые за счет дополнительно вовлеченного воздуха улучшают процесс вспучивания смеси, таких как перлитовая пудра - отход производства перлитового песка.
Поризация осуществляется без пено- и газо-образователей за счет вакуумирования гипсовой смеси. При снижении атмосферного давления над поверхностью смеси, происходит увеличение количества пузырьков газовой фазы за счет имеющегося в системе воздуха в виде адсорбированного защемленного между частицами гипсового вяжущего, растворенного в воде и вовлеченного при ее перемешивании.
Рис. 5. Микроструктура порового пространства вибровакуумированного гипсобетона
Вибровакуумированный гипсобетон характеризуется улучшенной микроструктурой порового пространства (рис. 5.), с более ровной внутренней поверхностью пор и более плотным прилегающим к ней слоем, чем у вакууми-рованного гипсобетона, что и объясняет улучшенные физико-механические характеристики.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сулейманова Л.А., Лесовик В.С. Газобетон неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих. Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. 304 с.
2. Сулейманова Л.А. Управление процессом формирования пористой структуры ячеистых бетонов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 69-76.
3. Сулейманова Л.А. Вибровакууми-рован-ный ячеистый бетон. Белгород: Изд-во БГТУ,
1997. 130 с.
4. А.с. 1357400 (СССР) Способ изготовления ячеистых гипсобетонных изделий /Д.И. Гладков, А.Е. Грушевский, В.П. Балдин, С.А. По-горелов и др. Опубл. 07.12.87; Бюл. № 45. С. 81.
5. Лесовик В.С., Гладков Д.И., Сулейманова Л.А.Способ изготовления ячеистобетонных изделий. Патент на изобретение RUS 2228264 29.05.2001.
6. Гладков Д.И., Дедурина Е.А., Сулейма-нова Л.А., Тысячук В.В., Калашников А.В. Способ получения ячеистых бетонов. Патент на изобретение RUS 2137600 07.05.1998.
7. Урьев Н.Б. Взаимосвязь контактных взаимодействий и структурно-реологических свойств цементных паст, растворных и бетонных смесей. Реология бетонных смесей и ее технологические задачи. Тезисы докладов ГУ Всесоюзного симпозиума в Юрмале, 1982. Рига, РПИ, 1982. 3-6 с.
8. Ферронская А.В. Эксплуатационные свойства бетонов на основе композиционного гипсового вяжущего // Строительные материалы.
1998. № 6. С. 34-36.
9. Гипсовые материалы и изделия. Справочник. Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Изд-во АСВ, 2004. 488 с.
10. Производство и применение гипсовых материалов и изделий. Терминологический словарь (основные термины и определения на русском и немецком языках). Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Изд-во АСВ, 2006. 263 с.
11. Коровяков В.Ф. Повышение эффективности гипсовых вяжущих и бетонов на их основе: диссертация ... доктора технических наук: 05.23.05. М., 2002. 367 с.
Информация об авторах
Сулейманова Людмила Александровна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительства и
городского хозяйства.
E-mail: ludmilasuleimanova@y andex. ru
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Погорелова Инна Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительства и городского хозяйства.
E-mail: innapogorelova@yandex.ru
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Марушко Михаил Викторович, аспирант кафедры строительства и городского хозяйства. E-mail: 12michailmar@mail.ru
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Огнев Никита Владиславович, студент кафедры строительства и городского хозяйства. E-mail: ognev.nikita.vl@gmail.ru
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Поступила в августе 2017 г.
© Сулейманова Л.А., Погорелова И.А., Марушко М.В., Огнев Н.В., 2017
Suleymanova L.A., Pogorelova I.A., Marushko M.V., Ognev N.V.
VIBRO-VACUUM GYPSIFEROUS COMPOSITES
Porous structure of concrete can be got not only by gassing, but also from correct Rayleigh-Plesset equationby factor of external pressure. Vibration-vacuum method ofaeration offorming mixes allows to get wide gamma of effective building materials with porous structure, one of which is expanded gypsum concrete.
Keywords: vibro-vacuum, aerated concretes, porous structure, expanded gypsum concrete, gypsum-containing composites.
Information about the authors
Suleymanova Lyudmila Aleksandrovna, PhD, Professor E-mail: ludmilasuleimanova@yandex.ru
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, Kostiukovst. 46.
Pogorelova Inna Aleksandrovna, PhD, Assistant professor E-mail: innapogorelova@yandex.ru
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, Kostiukovst. 46.
Marushko Mikhail Viktorovich, Postgraduate student E-mail:12michailmar@mail.ru
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, Kostiukovst. 46.
Ognev Nikita Vladislavovich, Bachelor student. E-mail: ognev. nikita.vl@gmail.com
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, Kostiukovst. 46.
Received in August 2017
© Suleymanova L.A., Pogorelova I.A., Marushko M.V., Ognev N.V., 2017
