CC BY
34
Влияние физического состояния химических добавок в момент введения в газобетонную смесь на кинетику газовыделения и коэффициент
диффузии газа
А.И. Шуйский, С.А. Стельмах, Е.М. Щербань, А.К. Халюшев, М.Г. Холодняк, М.П. Нажуев Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: В данной статье рассматривается влияние физического состояния химических добавок в момент введения их в газобетонную смесь. Для проверки рабочей гипотезы были запроектированы и изготовлены два состава. В составе С№1 химические добавки вводились в виде коллоидного раствора. Сравнительный анализ результатов физико-механических испытаний образцов газобетона исследуемых составов показал, что введение химических добавок в виде коллоидного раствора понижает среднюю плотность в сухом состоянии за счет более интенсивного протекания реакции газовыделения без существенного снижения предела прочности на сжатие. При этом в составе С№2 наблюдается рост средней плотности.
Ключевые слова: кинетика газовыделения, коэффициент диффузии газа, газобетонная смесь, реакционная способность, вспучивание газобетонной смеси, коллоидный раствор.
Введение. Вспучивание ячеистой смеси - сложный гидродинамический, физико-химический, сильно растянутый во времени процесс. Происходит образование и рост ячеек, деформирование смеси с переменной скоростью под действием возникающего в ячейке давления, парообразования, конденсации паров воды [1]. Оптимальным условием изготовления неавтоклавного газобетона с заданными физико-механическими характеристиками является качественный процесс вспучивания газобетонной смеси, у которой обеспечивается совпадение по времени начала коагуляции новообразований цемента и начала интенсивного выделения газа алюминиевым газообразователем. В данном исследовании авторы использовали литьевую технологию производства газобетонных изделий [2].
Основная часть. Целью работы является - изучить влияние физического состояния химических добавок: каустической соды и сульфата
натрия на интенсивность газовыделения при производстве неавтоклавного газобетона.
Газобетонную смесь перемешивали в планетарном смесителе в течение 2 минут. Из полученной газобетонной смеси формовали образцы-кубы с размером ребра 10 см и выдерживали в камере для тепловой обработки при температуре 70 °С по режиму т (2+6+3). Одновременно часть газобетонной смеси загружали в прибор ПГВ-2 (рис. 1) для определения кинетики газовыделения и коэффициента диффузии газа. Для исследования приняты два состава. В составе С№1 химические добавки - каустическая сода и сульфат натрия - вводятся в ячеистобетонную смесь в виде коллоидного раствора, а в составе С№2 добавки вводятся в твердом состоянии. Составы газобетонных смесей на расчетную плотность Б600 представлены в таблице
№ 1.
Таблица №1
Составы газобетонных смесей
Наименование материала Расходы материалов для приготовления газобетонных смесей на 1 м3
С№1 С№2
Цемент, кг 312 312
Песок, кг 255 255
Вода, л 232 232
Алюминиевая пудра, кг 0,578 0,578
Каустическая сода, кг 3,12 Вводятся в виде коллоидного раствора 3,12 Вводятся в сухом виде
Сульфат натрия, кг 4,8 4,8
Период вспучивания газобетонной смеси характеризуется быстрым ростом объема смеси до некоторого максимального значения.
Рис. 1. - Схема прибора для измерения газовыделения газобетонной смеси ПГВ-2 (вид спереди): 1 - подъемный столик; 2 - газобетонная смесь; 3 -стеклянная реакционная емкость (объемом 3 л); 4 - шкала; 5 - термометр; 6 -измерительная емкость; 7 - термометр; 8 - подъемная траверса; 9 -подъемная планка; 10 - цилиндр для крепления бумаги самописца; 11 -реверсивный двигатель; 12 - Ц-образный манометр для контролирования
уровня выделяющегося газа Прибор ПГВ-2 состоит из реакционной емкости 3 со шкалой 4, предназначенной для определения уровня заливки и вспучивания газобетонной смеси. Для измерения температуры газобетонной смеси применяется электронный термометр 5. Подъемный столик 1 при помощи винта прижимает реакционную емкость к верхнему основанию прибора. Для герметизации внутреннего объема прибора служит резиновая прокладка. К верхнему основанию прибора прикреплена измерительная емкость 6, выполненная в виде тонкой гофрированной трубы. Верхняя часть измерительной емкости 6 закрыта крышкой, на которой расположен ртутный термометр, измеряющий температуру газовой среды в приборе над
поверхностью газобетонной смеси. Для измерения объема служит подъемная траверса 8. Запись показаний прибора осуществляется на миллиметровой бумаге в виде графика. Миллиметровую бумагу наматывают на барабан самописца 10, который приводится в действие реверсивным двигателем 11. Контроль внутреннего давления в приборе осуществляется и-образным манометром.
Определение параметров кинетики газовыделения осуществляется следующим образом. Газобетонная смесь помещается в измерительную емкость, которая устанавливается в прибор. Вводят электронный термометр в газобетонную смесь и герметизируют. Через определенный момент времени
производится регистрация параметров: температура газобетонной смеси tв .,
№
температура газовой среды над веществом объем переменной
№
измерительной емкости Кп объем бетонной смеси в емкости К „. После
Р)
окончания реакции газовыделения рассчитываются значения параметров кинетики газовыделения: коэффициента вспучивания коэффициента
н
диффузии газа общий объем газовыделения изменение
^ С. «-А
ГО
температуры по следующим формулам:
ув
уВг
Кз : = тт^г;
го
_ 2934 5 X СОх Уд СО-Уд СО)
00
1132Ёх(273Д5+ге{Ё»
<3 =
V —Уп
ГО
293Дювад^ X 2
V
ГО
273,1£+Еа
ГО
гНа _ „На
у;:* = У^ + у;
(О
го
гд
го
(1)
(2)
(3)
(4)
J
(5)
где - общий внутренний объем прибора, см3; объем водорода в
"га
га
газобетонной смеси, см3; - объем водорода, диффундированного из
3 н
газобетонной смеси, см ; общий объем водорода, образовавшегося в
процессе вспучивания, см ; - атмосферное давление, Па;
= 1 — а0 X дь X (273 + - относительное содержание газов в
газовой среде над смесью; /?Б - относительное содержание газов в смеси;
т
= 4,555 см3/г.град.; д1 - абсолютная плотность газовой среды (при 100% -
ной относительной влажности ), г/см3
Результаты расчетов по определению параметров кинетики газовыделения представлены на рис. 2.
к; 3
Я 2
О о
1-1
В Я
И £ к ч
<и
Э и
<и
ю О
Время, т, мин.
Рис. 2. - Зависимость объема выделившегося газа (У^2, cmJ) в газобетонной
смеси от времени (т, min)
Выделившейся в результате реакции водород диффундирует с поверхности части алюминия в жидкую фазу, насыщая ее [3,4]. Таким образом, у поверхности частиц наблюдается образование пузырьков газа [5,6]. При этом между металлическим алюминием и гидратом окиси кальция, выделяющимся при гидролизе минералов клинкера вяжущего, происходит химическая реакция с выделением молекулярного водорода [7,8,9], как показано в уравнении (6):
А1+3Са(ОН2 + пН20^3СаО+ А1203 + пН20+3Н2 Т (6)
Коэффициент диффузии представлен на рисунке 3.
§ 0,7 -
СО
О 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30
Время, т, мин.
Рис. 3. - Кинетика диффузии газа из газобетонной смеси Выводы. Исходя из проведенных исследований и сличительных испытаний, авторы делают вывод, что наилучшими результатами по кинетике вспучивания газобетонной смеси и кинетике диффузии газа из газобетонной смеси показывают газобетонные смеси с введением химических добавок в виде коллоидных растворов. При этом большая часть времени не тратится на растворение химических добавок, как в составе С№2. По полученным данным построены графики - рис. 3 и рис. 4. Результаты физико-механических испытаний исследуемых составов сведены в таблицу №2.
Таблица №2
Результаты физико-механических испытаний образцов газобетона
Наименование показателя Наименование состава
С№1 С№2
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 626 653
Предел прочности при сжатии, МПа 1,9 2,3
Исходя из таблицы №2, авторы делают вывод, что в составе С№2 кинетика диффузии газа негативно отразилась на средней плотности образцов. При этом предел прочности при сжатии образцов состава С№2 выше, чем у образцов С№1, но это легко объяснить увеличением плотности состава С№2.
Литература
1. Шуйский А.И. Оптимизация процессов структурообразования и повышения качества газобетонных изделий: дис. ... канд. тех. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. С. 98-100.
2. Баранов А.Т. Улучшение свойств ячеистого бетона // Бетон и железобетон. 1981. №8. С. 9-10.
3. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат. 1979. 476 с.
4. Вагина Л.Ф. Алюминиевые газообразователи (теоретические и практические вопросы их изготовления и применения): дис. ... канд. тех. наук: 05.23.05. М., 1971. С. 18-19.
5. Adam. M. Neville. Properties of Concrete. Pitman Books, London, 1981. 779 p.
6. Акимов А.П. Новые газообразователи на основе алюминия для ячеистого бетона: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.23.05. М.,1976. 20 с.
7. PFA Utilization, Central Electricity Generating Board, Gibbons, Wolverhampton, 1972, pp. 4-6.
8. Удачкин И.В., Гончаров Ю.В. Эффективные способы повышения водозащитных свойств ячеистого бетона. М.: Стройиздат. 1980. С. 22-26.
9. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. С. Петербург: ООО «Строй-Бетон». 2006. 690 с.
10. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Галкин Ю.В. Влияние технологических факторов на свойства неавтоклавного газобетона // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/N2y2017/4125.
11. Шуйский А.И., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Шаталов А.В. Влияние структурирующей добавки на физико-механические свойства неавтоклавного газобетона // Инженерный вестник Дона, 2017 №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4126.
References
1. Shujskij A.I. Optimizacija processov strukturoobrazovanija i povyshenie kachestva gazobetonnyh izdelij [Optimization of the processes of structure formation and improvement of the quality of aerated concrete products]: dis. ... kand. teh. nauk: 05.23.05. Rostov-na-Donu, 1983. pp. 98-100.
2. Baranov A.T. Beton i zhelezobeton. 1981. №8. pp. 9-10.
3. Volzhenskiy A.V. Mineral'nye vyazhushchie veshchestva [Mineral binders]. M.: Stroyizdat. 1979. 476 p.
4. Vagina L.F. Alyuminievye gazoobrazovateli (teoreticheskie i prakticheskie voprosy ikh izgotovleniya i primeneniya) [Aluminum gas generators (theoretical and practical issues of their manufacture and application)]: dis. ... kand. tekh. nauk: 05.23.05. M., 1971. pp. 18-19.
5. Adam. M. Neville. Properties of Concrete. Pitman Books, London, 1981. 779 p.
6. Akimov A.P. Novye gazoobrazovateli na osnove alyuminiya dlya yacheistogo betona [New gassing agents based on aluminum for cellular concrete]: avtoref. dis. ... kand. tekh. nauk: 05.23.05. M., 1976. 20 p.
7. PFA Utilization, Central Electricity Generating Board, Gibbons, Wolverhampton, 1972, pp. 4-6.
8. Udachkin I.V., Goncharov Yu.V. Effektivnye sposoby povysheniya vodozashchitnykh svoystv yacheistogo betona [Effective ways to improve waterproof properties of cellular concrete]. M.: Stroyizdat. 1980. pp. 22-26.
9. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Osnovy betonovedeniya [Bases of concrete studies]. S. Peterburg: OOO «Stroy-Beton». 2006. 690 p.
10. Stel'makh S.A., Shcherban' E.M., Khalyushev A.K., Kholodnyak M.G., Nazhuev M.P., Galkin Yu.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/N2y2017/4125.
11. Shuyskiy A.I., Stel'makh S.A., Shcherban' E.M., Khalyushev A.K., Kholodnyak M.G., Shatalov A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4126.
