CC BY
56
ВЕСТНИК 10/2012
УДК 691.327.333
П.В. Горшков
ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»
ВЛИЯНИЕ ВОДОЦЕМЕНТНОГО ОТНОШЕНИЯ НА ВОЗДУХОВОВЛЕЧЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ НЕАВТОКЛАВНОГО ПЕНОБЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТУРБУЛЕНТНО-КАВИТАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Рассмотрено влияние водоцементного отношения на воздухововлечение при производстве неавтоклавного пенобетона, производимого при помощи турбулентно-кавитационной технологии с применением современных синтетических пенообразователей. Пенобетонная смесь, перемешиваясь в скоростном баросмеситиле, нуждается во воздухововлечении, которое зависит от количества воды в смеси, но ее избыток негативно сказывается на физико-механических характеристиках пенобетона.
Ключевые слова: неавтоклавный пенобетон, водоцементное отношение, баротехноло-гия, вода, кавитация.
С момента ввода в действие новых нормативов по тепловой защите зданий (СНиП 23-02—2003 и СП 23-101—2004) прошло уже несколько лет, а актуальность разработки и использования эффективных теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов из местного сырья, отвечающих современным установленным и потребительским требованиям, по-прежнему осталась. Одним из теплоизоляционных материалов является неавтоклавный пенобетон. Согласно [1] до недавнего времени производство пенобетона базировалось на раздельном приготовлении технической пены и раствора с последующим их смешиванием в отдельном смесителе. При этом использовались преимущественно органические пенообразователи, получаемые на основании натурального протеина. Ситуация коренным образом изменилась в связи с появлением высококачественных синтетических пенообразователей и одностадийной технологии приготовления пенобетонных смесей, основанной на поризации растворной смеси в высокоскоростных кавитационно-турбулентных смесителях, снабженных лопастями минимального аэродинамического сопротивления.
Согласно [2] пенобетон как конструкционный материал должен обладать определенными физико-механическими свойствами. В [3] описано, что это достигается подбором количественного соотношения составляющих: вяжущего (чаще всего цементы и известь, реже гипс), воды, песка и поверхностно-активного вещества (ПАВ), а также выбором технологии производства. В технической литературе существует множество математических моделей, показывающих влияние на марочную прочность пенобето-нов марки цемента, характеристик заполнителя, качество пенообразователя, рецептур и условий приготовления и твердения, например в [4, 5]. В каждой модели присутствует зависимость, описывающая прочность бетона от принятого водоцементного отношения (В/Ц) и степени гидратации цемента (рис. 1).
В [6] прочность легких бетонов обратно пропорциональна расходу воды затворения. Применительно же к ячеистым бетонам эта зависимость справедлива лишь при получении материала плотностью выше 500 кг/м3, следовательно, чем меньше В/Ц, тем выше прочность пенобетона. По В/Ц различают бетонные смеси жесткие (В/Ц = 0,3...0,4) и пластичные (В/Ц = 0,5...0,7). По данным [7] жесткие бетонные смеси обладают большей прочностью, требуют небольшого расхода цемента и меньшего срока твердения изделия в формах по сравнению с пластичными смесями, следовательно, для повышения прочности пенобетона необходимо снижение водоцементного отношения, однако пенобе-
154
© Горшков П.В., 2012
Строительное материаловедение
VESTNIK
JVIGSU
тонный раствор пониженной технологической влажности имеет пониженную пластичность. Приготавливаемый пенобетон с В/Ц около 0,3 при дальнейшем увеличении пластичности переходит в так называемое псевдотвердое состояние. Подобную сверхпластичную массу невозможно перемешивать турбулентными пенобетоносмесителями обычной конструкции. Активаторы таких смесителей традиционной конструкции просто прорезают вязкую массу, не вызывая ее движения. Такая картина наблюдается и на установках, производящих пенобетон по классической схеме с применением пеногенератора. Пенобетон, получаемый с применением турбулентно-кавитационной технологии, нуждается во воздухововлече-нии, а его интенсивность зависит от нескольких факторов. Представим, что происходит в смесителе при приготовлении пенобетонной смеси. Во время поризации за движущимися лопастями со специальными насадками образуются кавитационные каверны, давление в которых на 15...20 % ниже атмосферного. ношения на прочность бетона Из-за разницы давления происходит процесс
самопроизвольного поглощения воздуха смесью с образованием и равномерным распределением по объему смеси мельчайших пузырьков воздуха, которые стабилизируются пенообразователем и армируются частицами цемента и песка. Пенобетонная смесь, полученная в пенобаробетоносмесителе, под давлением транспортируется из смесителя к месту укладки в формы или монолитную конструкцию, где в результате перепада давлений происходит вспучивание. Кавитация сама по себе проходит в жидкости. Таким образом, одним из факторов получения качественного пенобетона является количество свободной воды, если свободной воды недостаточно — смесь не достаточно поризуется. В таком случае получить рассчитываемое количество пенобетона на выходе из смесителя становится невозможным. По данным в [8], при увеличении количества воды, хотя по-ризация смеси и протекает более активно, образуется большое количество капиллярных
Рис. 2. Пенобетон с различными значениями В/Ц
0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Водоцементное отношение В/Ц
Рис. 1. Влияние водоцементного от-
вестник 10/2012
Цементное тесто является гигроскопическим веществом вследствие гидрофильного характера частиц цемента и наличия в нем субмикроскопических пор. Из [9] известно, что фактическое содержание воды в цементном камне зависит от влажности окружающей среды. Согласно [10], капиллярные поры из-за их сравнительно большого размера осушаются в тех случаях, когда относительная влажность окружающей среды падает ниже примерно 45 %, или в результате пропарки образцов. Наглядно видно, что вода в цементном камне может удерживаться с различной степенью прочности связи. С одной стороны, имеется свободная вода, которая удерживается в капиллярах и находится вне поля действия поверхностных сил твердой фазы. С другой — химически связанная, образующая определенную часть гидратированных соединений. Между этими двумя крайними категориями находится вода геля, которая может удерживаться в цементном камне различными силами. Вода, удержанная поверхностными силами частиц геля, называется адсорбционной водой. Высвобождающаяся свободная вода, если позволяют условия, устремляется вверх (вода легче всех остальных компонентов бетона), оставляя за собой микроканал капиллярной размерности. Под частицами заполнителя вода может задерживаться и скапливаться, образуя водные полости, из которых впоследствии образуются воздушные поры, которые уменьшают площадь контакта цементного камня с заполнителем и ослабляют их взаимное сцепление. Капиллярные ходы и полости, сообщаясь между собой, служат путями фильтрации воды сквозь бетон, что способствует повышению его водопроницаемости и как следствие — снижению физико-механических характеристик материала. Из-за передвижения воды в пенобетонной смеси в период, предшествующий схватыванию, происходит неравномерное распределение ее в смеси, образование значительного количества капиллярных ходов и сообщающихся каналов. В этом заключается главная отрицательная роль избыточного содержания воды в смеси и связанных с этим процессов внутреннего водоотделения. Выход из этой ситуации — в оптимальном подборе водоцементного отношения, учитывая обязательную поправку на водопотребность используемых материалов заполнителя и вяжущего. Опыт производства ячеистобетонных изделий и конструкций показывает, что снижение водоцементного отношения положительно влияет на прочностные характеристики готовой продукции. Необходимо найти то водоце-ментное соотношение, при котором пенобетонная смесь была бы достаточно пластична и пригодна для воздухововлечения при производстве неавтоклавного пенобетона с использованием турбулентно-кавитационной технологии, а количество воды, негативно влияющее на прочностные характеристики, стремилось к минимуму. На практике диапазон вариаций водоцементного отношения для производства неавтоклавного пенобетона заданной плотности колеблется в пределах сотых чисел. Применительно к турбулентно-кавитационной технологии увеличение водоцементного отношения дает полный выход пенобетона, но из вышеизложенного видно, что качество полученного материала с трудом будет удовлетворять тем физико-механическим характеристикам, которым должен соответствовать полученный неавтоклавный пенобетон.
Определенный интерес представляет снижение водоцементного отношения при получении пенобетона за счет применения добавок, повышающих пластичность и способствующих необходимому воздухововлечению не в убыток физико-механическим характеристикам материала. Суперпластификаторы — один из видов таких добавок, их применение позволило бы уменьшить расход воды, цемента, снизить себестоимость конечной продукции, повысить конкурентоспособность выпускаемого неавтоклавного пенобетона. Благодаря исследованиям в этом направлении удастся повысить спрос на модернизированный и эффективный неавтоклавный пенобетон.
Библиографический список
1. Бабков В.В., Баженов Ю.М., Быкова А.А. Цементы, бетоны, строительные растворы и сухие смеси. Часть I: Справ. СПб. : Профессионал, 2007. 804 с.
2. ГОСТ 25485—89. Бетоны ячеистые технические условия.
156
/ББИ 1997-0935. Vestnik Мвви. 2012. № 10
Строительное материаловедение
VESTNIK
JVIGSU
3. Горшков П.В. Пенобетон и его роль в современном строительстве // Информационная среда ВУЗа: сб. № XVII. Иваново, 2011. С. 507—510.
4. Справочник строителя. Строительная техника, конструкции и технологии. Т. I. М. : Техносфера, 2007. 520 с.
5. Холмянский М.М. Бетон и железобетон: деформативность и прочность. М. : Стройиздат, 1997. 576 с.
6. Меркин А.П., Зайфман М.И. Серия 8. Промышленность автоклавных материалов и местных вяжушдх. Вып. 2. Новые технологические решения в производстве ячеистых бетонов. М. : ВНИИЭСМ, 1982. 23 с.
7. Мурадов Э. Г. Материалы для приготовления бетонной смеси и строительного раствора. М. : Высш. шк., 1987. 110 с.
8. Ружинский С.И. Все о пенобетоне. 2-е изд. СПб. : Строй Бетон, 2006. 630 с.
9. ЕвдокимовН.И.,МацкевичА.Ф., СытникВ.С. Технология монолитного бетона и железобетона. М. : Высш. шк., 1980. 355 с.
10. Невилль А.М. Свойства Бетона. М. : Изд-во литературы по строительству, 1972. 344 с.
Поступила в редакцию в августе 2012 г.
Об авторе: Горшков Павел Владимирович — ассистент кафедры строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Ивановский архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, [email protected].
Для цитирования: Горшков П.В. Влияние водоцементного отношения на воздухововлече-ние при производстве неавтоклавного пенобетона с использованием турбулентно-кавитацион-ной технологии // Вестник МГСУ. 2012. № 10. С. 154—158.
P.V. Gorshkov
INFLUENCE OF WATER-TO-CEMENT RATIO ON AIR ENTRAILMENT IN PRODUCTION OF NON-AUTOCLAVED FOAM CONCRETE USING TURBULENCE CAVITATION TECHNOLOGY
Non-autoclaved foam concrete is an advanced thermal insulation material. Until recently, foam concrete production has been based on separate preparation of foam and solution, followed by their blending in a mixer. The situation changed when high-quality synthetic foaming agents and turbulence cavitation technology appeared on the market. Every model provides a dependence between the foam concrete strength and the water-to-cement ratio. According to the water-cement ratio we can distinguish strong concrete mixtures (with the water-to-cement ratio equal to 0.3...0.4) and ductile ones (with the water-to-cement ratio equal to 0.5.0.7). Strong concrete mixtures are more durable. The lower the water-to-cement ratio, the higher the foam concrete strength.
However super-plastic substances cannot be mixed by ordinary turbulent mixers. Foam concrete produced using the turbulence cavitation technology needs air-entraining, its intensity being dependent on several factors. One of the main factors is the amount of free water, if it is insufficient, the mixture will not be porous enough. A researcher needs to identify the optimal water-to-cement ratio based on the water consumption rate. Practical production of prefabricated concrete products and structures has proven that the reduction of the water-to-cement ratio improves the strength of the product. The task is to find the water-to-cement ratio for the foam concrete mixture to be plastic enough for air entraining. An increase in the ratio causes loss in the strength. The ratio shall vary within one hundredth points. Super-plasticizers are an alternative solution.
Key words: non-autoclaved foam concrete, water-to-cement ratio, water, cavitation.
References
1. Babkov V.V., Bazhenov Yu.M., Bykova A.A. Tsementy, betony, stroitel'nye rastvory i sukhie smesi [Cements, Concretes, Mortars and Dry Mixes]. St.Petersburg, NPO Professional Publ., 2007, Part I, 804 p.
2. GOST 25485—89. Betonyyacheistye tekhnicheskie usloviya [Cellular Concretes. Specifications].
3. Gorshkov P.V. Penobeton i ego rol' v sovremennom stroitel'stve [Foam Concrete and Its Role in Contemporary Construction]. Informatsionnaya sreda VUZa [Information Environment of Institutions of Higher Education]. Ivanovo, 2011, no. 17, pp. 507—510.
4. Spravochnik stroitelya. Stroitel'naya tekhnika, konstruktsii i tekhnologii [Builder's Reference Book. Machinery, Structures and Technologies]. Moscow, 2007, Tekhnosfera Publ., vol. 1, 520 p.
ВЕСТНИК 10/2012
5. Kholmyanskiy M.M. Beton i zhelezobeton: deformativnost'i prochnost' [Concrete and Reinforced Concrete: Deformability and Strength]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1997, 576 p.
6. Merkin A.P., Zayfman M.I. Seriya 8. Promyshlennost' avtoklavnykh materialov i mestnykh vy-azhushchikh [Series 8. Production of Autoclaved Materials and Local Binders]. Moscow, VNIIESM Publ., 1982, no. 2.
7. Muradov E. G. Materialy dlya prigotovleniya betonnoy smesii stroitel'nogo rastvora [Materials for Preparation of a Concrete Mix and Building Mortar]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1987, 110 p.
8. Ruzhinskiy S.I. Use o penobetone [Everything about Foam Concrete]. St.Petersburg, Stroy Beton Publ., 2006, 630 p.
9. Evdokimov N.I., Matskevich A.F., Sytnik V.S. Tekhnologiya monolitnogo betona i zhelezobetona [Technology of In-situ Concrete and Reinforced Concrete]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1980, 355 p.
10. Nevill' A.M. Svoystva betona [Properties of Concrete]. Moscow, Izd-vo literatury po stroitel'stvu publ., 1972, 344 p.
About the author: Gorshkov Pavel Vladimirovich — postgraduate student, Department of Engineering Structures, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (ISUACE),
20 8ogo Marta St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; [email protected].
For citation: Gorshkov P.V. Vliyanie vodotsementnogo otnosheniya na vozdukhovovlechenie pri proizvodstve neavtoklavnogo penobetona s ispol'zovaniem turbulentno-kavitatsionnoy tekhnologii [Influence of Water-to-cement Ratio on Air Entrailment in Production of Non-Autoclaved Foam Concrete Using Turbulence Cavitation Technology]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 154—158.
158
/SSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 10
