Ячеистые бетоны с химическими добавками и редиспергаторами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Ушзв БА, Ш0$Щ

ва Т.Н.

Усов Борис Александрович, к.технических наук, доцент кафедры

Промышленное и гражданское строительство Университета машиностроения, Горбунова Татьяна Николаевна, доцент кафедры информационных

систем, кандидат технических наук

ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ С ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ И РЕДИСПЕРГАТОРАМИ

Структура ячеистых или особо легких бетонов характеризуется наличием в сплошной среде пор, в виде распределенных по всему объему отдельных замкнутых (или условно-замкнутых) ячеек. Мелкие и средние воздушные ячейки диаметром до1-1,5мм занимают 85% их общего объема. Поэтому такие материалы мало проницаемы и более прочны.

Ключевые слова: ячеистый бетон, прочность, заполнитель.

Structure cellular or especially lightweight concrete is characterized by a long continuous medium , in the form of distributed throughout the separate closed (or conditionally closed ) cells. Small and mediumsized air cells do1-1,5mm diameter occupy 85% of the total. Therefore, such materials are not enough permeable and more durable.

Keywords : cellular concrete, strength, filler .

Они могут быть автоклавного и безавтоклавного твердения. Для автоклавных характерно химическое взаимодействие гидроксида кальция с кремнеземом заполнителя. И здесь желателен заполнитель, богатый кварцем, особенно - при получении бесцементного пено- или газосиликата. Используются в них мелкие природные или молотые пески, поскольку тяжелые крупные зерна песка могут вызвать осадку пенобетонной массы и даже помешать нормальному процессу вспучивания газобетонной массы. Чем меньше заданная плотность ячеистого бетона, тем мельче должен быть заполнитель.

Однако, применение в целом в определённом количестве не слишком уж мелкого заполнителя улучшает структуру материала между порами и уменьшает в ячеистом бетоне усадочные деформации. Поэтому в каждом случае требуется подбирать оптимальный зерновой состав песка. Природный песок, как правило, должен проходить полностью через сито с отверстиями 0,63мм.

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

115

ъенн

ЗМатемшжческие и

шехн1жщшск1ше

науки

Ес

Объём производства ячеистого пенобетона в России согласно данных (1) уже не уступает газобетону и продолжает неуклонно расти.

Объём производства блоков из ячеистого пенобетона в России согласно данных Росстата (7) показывает значительный рост (таблица )

Таблица

2010 2011 2012 2013 рост к 2010 в %

Кирпич строительный (включая камни) из цемента, бетона или искусственного камня, млрд. усл. кирпичей 3,2 3,5 3,9 4,1 128,13%

Блоки стеновые мелкие из ячеистого бетона, млрд. усл. кирпичей 5,2 5,9 7,4 8,1 155,77%

Блоки стеновые крупные (включая блоки стен подвалов) из бетона, млн. усл. кирпичей 673 735 796 826 122,73%

Конструкции и детали сборные железобетонные, млн. м3 21,8 23,6 25,6 27,2 124,77%

Становлению его безусловно способствует относительная простота изготовления и наличие большого количества различных весьма эффективных пенообразователей. Благодаря последним - производство пенобетона уже весьма популярно в странах Общего рынка. А за счёт исключения из технологии газо- образователя - алюминиевой пудры, оно совершенно стало безопасным.

Положительным качеством пенобетонной смеси является реологическая особенность, позволяющая осуществлять технологию подачи или перекачивания по трубопроводам на довольно значительные расстояния. При наличии мини-заводов у строителей ими эффективно возводятся ограждающие монолитные конструкции.

Однако, несмотря на положительные особенности, технология пенобетона по сравнению с газобетоном имеет недостатки, которые следует учитывать при его изготовлении.

Так, благодаря непременному использованию значительного количества ПАВ, пенобетону присущи: замедленный на 20-30% рост пластической прочности; невозможность эффективного ускоренного подогрева сырца из-за разрушения пеномассы; наличие просадки уровня (на 5-10%) заливаемого при формовании изделия и образования на поверхности штучных или массивных изделий

1116

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

Ушзв БА, Ш0$Щ

ва Т.Н.

легко отслаивающейся пленки, затрудняющей дальнейшую отделку. Замедленное схватывания сырца приводит ещё к послойному (по высоте изделия) разбросу плотности (от 100 до 200 кг/м3), способствуя развитию деструктивных процессов в массиве пенобетона.

Коалексценция пенообразователя, чаще проявляемая при малой плотности пенобетона, образует значительное количество каверн. А разрушение пены в процессе технологической переработки (механо- или динамическом перемещении) пеномассы, способствует преобразованию сферической формы ячеек в полилиэдрическую (мно-гоугольчатую) с последующим после твердения локальными повышенными внутренними напряжениями.

К сожалению эти явления редко принимаются во внимание «практиками» - изготовителями, приводя к выпуску некачественной продукции. Исключить это негативное положение возможно исключительно повышением стойкости пен.

По существу стабилизация пены - или усиление её роли, как «заполнителя» для бетона, является главным технологическим требованием при оценке комплексного действия добавок на порообразующий аспект пенобетона, определяющий в целом получение его основных характеристик.

У зарубежных производителей высокий показатель пеноустойчивости достигается созданием в оболочке пузырька прочной минерализованной полимерной пленки.

Практика показывает, несмотря на простоту технологии, тщательность отбора твёрдых минеральных компонентов, качественное изготовление пенобетона - возможно при выборе пенообразователей при наличии свойств, регламентированных ГОСТ 25485.

Например, сочетание ПАВ желательно с введением стабилизаторов, повышающих вязкость пенорастворов и замедляющих тем удаление жидкости из пен. В некоторых случаях даже просисходит физико - химическое связывание молекул стабилизатора и пенообразователя с получением весьма устойчивых соединений и пузырьков в пенорастворе.

Вещественный состав самой добавки (или «комплексность» набора в ней компонентов) следует соотносить с технологией её получения и даже видом или своей специальной классификацией по требованиям, как технического продукта. В связи с этим стабилизаторы бывают органические и неорганические, растворимые и нерастворимые в воде.

По воздействию на механизм пенообразования стабилизаторы разделяют на классы:

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

117

ъенн

ЗМатшшмчешш® и

шехн1жщшск1ше

науки

Ес

• вещества, направленно увеличивающие вязкость пенообразующего раствора или - загустители, вводимые в пенообразователи в значительных количествах (с расходом от 2 до 20% от массы ПАВ), например - метиллцеллюлоза, декстрин, этиленгликоль, казеин, глицерин и т. д.;

• соединения, вызывающие в плёнках пены образование коллоидов, резко уменьшающее обезвоживание пленок. Такие стабилизаторы более эффективны, но довольно дефицитны для массового производителя. Это- крахмал, костный или мездровый клей, желатин и т.п.- в количестве 0,1- 0,3% от массы ПАВ, резко увеличивающие (в 150 и более раз) в пленках вязкость жидкости, приводя к возрастанию устойчивости пены 5 - 10 раз;

• вещества, обеспечивающие полимеризацию пеномассы и также резко увеличивающие вязкость пленок, переводят последние даже в твердое состояние. К ним относятся - водорастворимые полимерные композиции - карбомидные, латексные и т. д.

• эффективны, как стабилизаторы, нерастворимые в воде, соли металлов меди, бария, железа, алюминия, капсолирующие пленки пены и тем препятствующие их разрушению. К такому типу стабилизаторов следует отнести пену, с тонкоизмельченными твердыми веществами (способ минерализации), которые адгезионно прикрепляясь к пенным оболочкам и постепенно сближаясь создают комплекс пеновоздушных минерализованных ячеек, образуя агрегатную пену. Такой способ стабилизации и позволил создать один из новых одностадийных способов получения пенобетона - сухой минерализацией пены (2,3).

Другим способом совершенствования при раздельной технологии приготовления пенобетона может быть применение комплексных добавок, вводимых с водой затво-рения, на- пример - суперпластификатор С-3 + ТНФ или другой щелочесодержащий компонент.

Комплексные синтетические пенообразователи на основе отечественных ПАВ с стабилизаторами указанных классов, позволяют получить качественный пенобетон, обладающий ещё и невысокой стоимостью и доступностью (4).

Таким образом, пенобетоны - растворные смеси с большим расходом вяжущего, воды и с добавкой кремнезёмистого компонента, могут быть получены и без применения классических повсеместно распространённых пластификаторов, но только с оптимально подобранным к данному виду комплексным стабилизированным пенообразователем.

118

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

Ушзв БА, Ш0$Щ

ва Т.Н.

Следует отметить, что минеральный состав компонентов должен соответствовать требованиям вышеуказанного ГОСТ, а технология изготовления соответствующим нормативным документам, в частности, СН 277 - 80. Всё это позволит свести к минимуму те недостатки пенобетона, о которых говорилось выше.

Пенобетон, по качеству не уступающий газобетону, возможно устойчиво получать на любых типах вяжущего - шлакощелочном, щёлочноалюмосиликатном, солещелочном, кремнезольном с использованием природных растительных и белковых пенообразователей, имеющих коллоидную структуру, где вяжущая система и является необходимой основой, исключающей недостатки пенобетона (1).

Согласно современным данным (4) наиболее приемлемым для пенобетонов широкого спектра применения целесообразно применять следующие виды пенообразователей и стабилизаторов (см. табл. 1).

Комплексные добавки для пенобетона

Таблица 1

Наименование Характеристики (внешний вид) Стабилизатор Расход сухих ком - понентов на 1л воды, (г/л).

ОП - 1 (ГОСТ 8473) Пастообразный продукт, получаемый обработкой моно и диалкилфенолов оксидом этилена Мездровый или костный клей 130+350

Паста алкилсульфатов (ПО-6НП; ПО-6НП -М) ТУ 38 - 0005807999 -33; ТУ 2481 - 015 -05807999 Пастообразный продукт или жидкость 5 = 1,01^- 1,1 кг/л. Жидкое стекло + ТНФ 100 + 120 + 5

СВМ «Астра» +ТНФ +КМЦ Синтетическое моющее вещество. Белый или светложёлтый порошок, хорошо растворимый в воде ТНФ+КМЦ 60 + 40 + 160

СВМ «Вита» + КМЦ « КМЦ 140 + 200

СВМ «Альфин» + КМЦ « КМЦ 160+200

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

ъенн

ЗМатшшмчешш® и

шехн1жщшск1ше

науки

Ес

Продолжение табл. 1.

СВМ «Прогресс» + ТНФ + КМЦ « ТНФ + КМЦ 160 + 10 + 5

Сульфанол+ Исходный продукт для получения порошка СВМ белого или желтого цвета, растворимого в воде Мездровый клей или КМЦ 609 + 80

Сульфанол + ТНФ + жидкое стекло « ТНФ + жидкое стекло 80 + 80 + 160

Сульфанол + ТНФ + КМЦ « ТНФ + КМЦ 80 + 80 + 160

ТНФ (тринатрийфосфат ГОСТ 201), КМЦ, (МЦ) (Карбоксиметилцеллюлоза ТУ 6 - 01 -1857), Сульфанол ТУ 6 - 01 -1001 - 77.

Преимуществом указанных комплексных добавок является благоприятное воздействие на реологию пеномассы, доступность компонентов, низкая стоимость и простота применения независимо от технологии изготовления бетонной смеси..

В связи с достаточно широкой ориентацией производителей на производство главным образом цементных ячеистых бетонов следует иметь ввиду, что цементный камень при твердении претерпевает объемные деформации и усадка его достигает 2 мм/м.

Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и трещины. Мелкие трещины могут быть невидимы невооруженным глазом, но они резко снижают прочность и долговечность цементного камня. Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает усадочные напряжения и уменьшает усадку обычного бетона примерно в 10 раз по сравнению с усадкой цементного камня.

Для понижения трещинобразования, повышения прочности при изгибе и растяжении, а также морозостойкости ячеистого бетона предложена универсальная технология армирования его минеральными волокнами (стекловолокном). Технология армирования проста и может быть использована на практике при изготовлении изделий и конструкций из ячеистого бетона.

Доля материальных затрат в валовой продукции строительного производства составляет около 50% и снижение их только за счет использования вто-

1120 ’ СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015 *

Ушзв БА, Ш0$Щ

ва Т.Н.

ричных продуктов промышленности при изготовлении неавтоклавных ячеистых бетонов является крайне важной задачей. А поскольку в технологии ячеистого бетона большую часть сырьевой смеси, как правило, составляет кремнеземистый компонент, то использование дисперсных кварцсодержащих вторичных промпродуктов является крайне важной задачей. Применение таких материалов позволяет резко снизить энергозатраты на помол кремнеземистого компонента и исключить из потребления специальные гостированые природные кремнеземистые компоненты. В частности, зольная часть сырьевой композиции представляет собой сухую золу уноса, различных модификаций.

Для изготовления изделий из безавтоклавных ячеистых бетонов в настоящее время применяются золы и шлаки, использование которых предопределяет производство материалов с пониженными прочностными показателями в сравнении с автоклавными ячеистыми бетонами на аналогичной основе. Большое значение для повышения транспортабельности готовых изделий и для повышения их трещиностойкости при эксплуатации имеет прочность безавтоклавного ячеистого бетона на растяжение.

Увеличение её для безавтоклавного газошлакозолосиликата наряду с другими методами может быть достигнуто путем фиброармирования матрицы материала добавкой минеральной ваты, в частности, стекловаты. Как показывает зарубежный опыт коррозионное действие щелочной среды композиций с добавкой доменного шлака и зол, в которых преобладают соединения Al2O3 и SiO2, на стекловолокно меньше чем традиционных, в которых преобладают кальциевые соединения.

При исследованиях применялись различные сочетания как кислых, так и основных зол шлаков затворенных щелочными компонентами первой группы по классификации В.Д. Глуховского. Для снижения усадочных деформаций в сырьевую смесь вводили некоторое количество негашеной извести и гипса в количестве до 5% от массы сухих компонентов смеси. Испытания проводились на газобетоне с расчетной плотностью до 700 кг/м3.

Оптимальный состав по прочности на сжатие подбирали на смесях, состоящих из шлакощелочного вяжущего и золы. Отношение добавки извести к шлаку менялось в определенных параметрах - не менее 10% к массе сухих компонентов. При постоянном соотношении количества извести к шлаку в составы вводилось переменное количество золы-уноса и добавка гипса - 5% от массы сухих компонентов сырьевой смеси.

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

121

ъенн

ЗМатшшмчешш® и

шехн1жщшск1ше

науки

Ес

Наибольшую прочность имели образцы, изготовленные на составах с соотношением шлакощелочного вяжущего к золе равном 1:0,6. После изготовления изделия пропаривались при температуре 90-95°С по режимам, рекомендованным нормативными документами для конструктивно-теплоизоляционного ячеистого бетона.

Так как с увеличением содержания извести - кипелки и золы водопоглощение и усадка готового бетона растет, все последующие работы проводились на составе с 30%-ным содержанием золы при постоянном соотношении шлака к щелочно-щелочноземельным активизаторам. Дисперсность сырьевой смеси находилась в пределах 3000-4000 см2/г.

С целью повышения прочности при растяжении, в состав сырьевой смеси вводилась стекловата. Введение стекловаты осуществлялось следующим образом: в работающий смеситель заливали воду, загружали стекловату и перемешивали смесь в течение определенного времени. Затем в смеситель загружали сухие компоненты и перемешивали еще не менее 1-2 мин. После введения требуемого количества водноалюминиевой суспензии перемешивание продолжалось до равномерного распределения газообразователя в сырьевой массе.

Исследования влияния добавок стекловаты на прочностные характеристики газобетона проводили на оптимальном составе плотностью 700 кг/м3 по прочностным показателям.

Увеличение массы добавки практически не влияло на прочностные характеристики ячеистого бетона.

Были проведены также исследования влияния длины волокон стекловаты на прочностные показатели газобетона оптимального состава и установлено, что изменение длины волокон от 10 до 40мм практически не влияет на физико-механические характеристики бетона. Была отмечена тенденция к повышению устойчивости газобетонной массы и улучшению ее реологических характеристик. Поверхность волокна видимо образовывала подложки, способствующие росту микрокристаллов, формированию коагуляционных, а затем и кристаллизационных структур. В начальный период твердения, все это улучшало реологические свойства ячеистобетонной смеси, что подтверждалось при всех равных условиях формовки контрольных образцов и снижением ее плотности при сохранении прочностных показателей.

При введении в состав сырьевой смеси добавки стекловолокна оптимальной длины от 15 до 40мм было отмечено улучшение структуры бетона. Применение волокон

122

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

Усов БАЛррбрНЯ

ва Т.Н.

длиной более 40мм не позволяло качественно перемешать смесь, за счет образования несмешиваемых с остальной массой участков состоящих из спутанных волоконных прядей («ежей»), что не позволяло получать качественный газобетонный сырец и по лучить бетон на его основе.

Без добавки волокна плотность у ячеистого бетона составляла 730 кг/м3 при прочности на сжатие - 3,7 МПа и изгиб 1,1 МПа. Введение волокна оптимальной длины в количестве 5% от массы сырьевых компонентов при длине волокна до 15мм позволяло получать: бетон плотностью 670 кг/м3 при прочности на сжатие - 4,1 МПа и изгибе 2,3 МПа; при длине волокна от 30 до 40мм плотность составляла (в среднем) 625 кг/м3 при прочности 4,8 МПа и изгибе 3,1 МПа.

Данные испытаний сведены в таблицу 2.

Таблица 2

плотность кг/м3

Прочность, МПа

на сжатие

на изгиб

без добавки волокна

730

3,7

1,1

С волокнами до 15 мм

670

4,1

2,3

С волокнами от 30 до 40 мм

625

4,8

3,1

Следует отметить четкую тенденцию к снижению плотности с одновременным повышением прочностных показателей газобетона (рисунок 1,2).

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

123

ъенн

ЗМатшшмчешш® и

техничиесйже

науки

Ес

Рис. 2. Изменение прочности на сжатие и на изгиб Морозостойкость модифицированного газобетона достигала 150 циклов замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и снижения прочности по сравнению с традиционным (Кмрз - 75; R сж 2,8- МПа).

Рис. 3 Х150

Рис. 4 (+) Х 600

Рис. 5 (+) Х1500

124

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

УСшв БА, ШОрбунШ

ва Т.Н.

Рис. 1Х150 Рис. 2 (+) Х 600

Рис. 3 (+) Х1500

На рисунках (рис.1-3)

На рисунках (рис.3-5) представлены микрофотографии структуры дисперсноармированного газобетона. На рис.3 четко видна армированная некоррозированными волокнами межпоровая перегородка, а также ячейки макропор.

При большем увеличении (рис.4) в точке, отмеченной крестом, волокна, замоно-личенные в основной связующий материал, сшивают матрицу газобетона как арматура. При ещё большем увеличении на рис. 5 (на месте крестообразной метки) показано, что волокна уже склеены продуктами новообразований и не имеют коррозионных повреж-

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015

125

ъенн

ЗМатшшмчешш® и

шехн1жщшск1ше

науки

Ес

дений. Эти исследования проведены на образцах (блоках) стеновой кладки, изготовленных из блоков в производственных условиях с дисперсным армированием стекловатой, после эксплуатации в течение 5 лет в суровых климатических уральских условиях.

Получение нового материала с увеличенной прочностью на растяжение позволяет повысить прочность и трещиностойкость свойства ячеистого бетона на бесцементном вя- жущем. При этом за счет исключения расхода клинкерных вяжущих и автоклавной обработки изделий, также утилизации зол и шлаков значительно сокращается энергоемкость производства.

Выводы

1. Повысить эффективность новой технологии позволяет и компьютеризация всего процесса исследований. Изучение поведения образцов в ходе многочисленных испытаний, приводит к необходимости анализа поведения большого количества данных. Табличная форма фиксации наблюдений позволяет структурировать полученный массив информации. В этом случае в качестве нативной реализации могут применяться программное обеспечение с поддержкой табличного представления информации: Microsoft Excel, OpenOffice Calc, Numbers, Gnumeric, KSpread. Данные табличные процессоры позволяют использовать функции обработки, проводить анализ данных, выводить результаты в визуальном виде.

2. Современный уровень развития информационных технологий также позволяет размещать табличные данные «в облаке», что позволяет привлекать к работе специалистов, находящихся в различных частях света. Все это способствует быстрейшему распространению эффективных технологий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Скороходова Н.Ю. Рынок ячеистых бетонов. Стройпрофиль №5, 2006 С. Петербург.

2. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М., Химия, 1983.

3. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко А.А. Технология теплоизоляционных материалов. М., Стройиздат 1980.

4. Касторных Л.И. Добавки в бетоны и строительные растворы. Ростов - на - Дону, Феникс,

2005.

5. Багров Б. О. Производство теплоизоляционного материала из отходов цветной металлургии. М., Металлургия, 1985.

6. Усов Б.А. Химизация бетона. Уч. пособие.М., Из-во МГОУ, 2007.

7. Промышленность России. 2014: Стат.сб./Росстат. - М., П81 2014. - 326 c.

126

СИСТЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №16 - 2015