CC BY
30УДК 691.327.332
В.В. НЕЛЮБОВА, канд. техн. наук, В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, Н.И. АЛТЫННИК, канд. техн. наук
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Ячеистые композиты автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора*
Обоснована эффективность использования наноструктурированного вяжущего негидратационного типа твердения силикатного состава в качестве активной модифицирующей добавки при производстве ячеистых материалов автоклавного твердения. Приведены составы и технико-эксплуатационные свойства газобетона автоклавного твердения в зависимости от содержания наноструктурированного модификатора. Доказана возможность получения бесцементного газобетона теплоизоляционного назначения с низкой плотностью и удовлетворительной прочностью, что существенно расширяет области использования данных материалов. Обоснована высокая теплопроводность ячеистых композитов, что объясняется формированием рациональной поровой структуры с полидисперсным распределением пор изделий за счет оптимизации реотехнологических характеристик ячеисто-бетонной смеси в присутствии наноструктурированного модификатора.
Ключевые слова: газобетон, автоклавная обработка, наноструктурированное вяжущее, модификатор.
V.V. NELYUBOVA, Candidate of Sciences (Engineering), V.V. STROKOVA, Doctor of Sciences (Engineering), N.I. ALTYNNIK, Candidate of Sciences (Engineering)
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukov Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
Cellular Autoclaved Composites with Application of Mamostructured Modifier*
The article substantiates the effectiveness of application of nanostructured binder of a nonhydration hardening type with silicate composition as an active modifier additive in the production of autoclaved cellular materials. Compositions and performance properties of autoclaved gas-concrete depending on the amount of nanostructured modifier are shown in the paper. Possibility to obtain non-cement gas-concrete for heat-insulating purposes with low density and satisfactory strength characteristics that greatly expands possible application of these materials. High thermal conductivity of cellular composites was justified, that is explained by the formation of rational pore structure with polidisperse distribution of pores in material due to optimisation of rheotechnological characteristis of cellular concrete mixture in the presence of nanostructured modifier. Keywords: gas concrete, autoclave curing, nanostructured binder, modifier.
По данным Национальной ассоциации производителей автоклавного газобетона, в настоящее время в России в 38 регионах действует 66 предприятий по выпуску ячеистого бетона автоклавного твердения [1]. При этом динамика ввода новых мощностей по его производству возрастает с каждым годом.
Несмотря на явные преимущества газобетона, к которым относятся теплоизоляционные и конструктивные качества, существуют определенные проблемы его производства. В частности, использование цемента в качестве основного структуроформирующего компонента ячеистого материала в доавтоклавный период затрудняет получение изделий с низкими марками по плотности и существенно увеличивает их стоимость.
В настоящее время совершенствование структуры и свойств существующих строительных материалов, в том числе газобетона, может быть достигнуто применением модификаторов нанодисперсного уровня. Однако использование таких добавок сопряжено с проблемой равномерного распределения активного наноразмерного компонента в сырьевых смесях, что особенно важно в производственных масштабах.
Решение этой проблемы заключается не во введении нанодисперсных добавок в общую смесь, а в создании наноструктурированной системы в самой композиционной массе в процессе технологического передела — тяШ. Этому условию в полной мере удовлетворяет наноструктурированное вяжущее [2—4], в котором нано-размерный компонент формируется в процессе его производства. Ранее была установлена принципиальная возможность использования наноструктурированного вяжущего в качестве модифицирующего компонента
(наноструктурированного модификатора, НМ) при получении прессованных материалов автоклавного твердения. Учитывая вышеизложенное, целью настоящей работы является анализ влияния добавки нанострукту-рированного модификатора на технико-эксплуатационные свойства газобетона автоклавного твердения.
В качестве сырьевых компонентов в работе использовались цемент производства ЗАО «Белгородский цемент», песок Корочанского месторождения, известь негашеная комовая производства ОАО «ОЭМК», гипс ОАО «Гипсобетон», алюминиевая паста ООО «СУАЛ-ПМ», вода и наноструктурированное вяжущее силикатного состава в качестве активного модификатора. Все материалы удовлетворяют требованиям соответствующих нормативных документов.
Получение ячеистых автоклавных материалов связано с использованием широкого спектра сырьевых компонентов, существенно отличающихся не только по составу, но и по основным свойствам. При этом каждый компонент выполняет определенную функцию. Так, портландцемент, входящий в состав смешанного вяжущего, выполняет роль компонента, придающего начальную прочность газобетону в доавтоклав-ный период.
Ранее было установлено [5], что введение нано-структурированного модификатора в цементные системы способствует повышению прочностных характеристик материалов. При этом время набора прочности материалов несколько сокращается. Стоит отметить, что введение наноструктурирующего модификатора способствует интенсификации формирования макроструктуры газобетона. При этом образцы отличаются пра-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания, проект 979.
* This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation within the public task, project 979.
44
май 2014
iA ®
Таблица 1
Содержание НМ, % Начало схватывания, мин Конец схватывания, мин
0 86 156
10 82 150
20 81 149
30 79 147
40 78 147
50 76 145
Таблица 2
Количество модификатора, % Теплопроводность измеренная, Вт/(м.°С) Теплопроводность по ГОСТ 31359-2007 (в сухом состоянии), Вт/(м.оС)
0 0,121 0,12 ф500)
10 0,115
20 0,111
30 0,107
40 0,102
50 0,095 0,108 ф450)
100 0,081 0,084 ф350)
вильнои геометриеи пор, а также равномерным их распределением по объему материала [6].
На формирование макроструктуры материала существенное влияние будут оказывать сроки схватывания формовочной смеси. Поскольку основным структуро-формирующим компонентом на ранних сроках твердения в газобетоне является портландцемент, анализ сроков твердения вяжущих производили на модельной системе, состоящей из цемента, наноструктурированного вяжущего и воды. Измерение проводили по стандартной методике с использованием прибора Вика.
Анализ результатов исследований (табл. 1) свидетельствует, что увеличение содержания наноструктури-рованного модификатора в системе приводит к сокра-
6 г
£ 5 -
4 -
3 -
о2-
1 -
0 L
550
300
-/Vv
- 2
±J
| 1 1 1
20 40 60 80
Количество модификатора, %
100
Зависимости плотности (1) и прочности (2) газобетона от состава формовочной смеси
щению сроков схватывания цемента. Вероятным объяснением данного факта является раннее связывание портландита, формирующегося в системе в процессе гидратации, активным веществом модификатора с образованием первичных гидросиликатов кальция. С технологической точки зрения данное явление будет способствовать сокращению длительности предварительной выдержки ячеистых композитов и приведет к снижению энергетических затрат на производство.
Для изучения влияния наноструктурированного модификатора на физико-механические свойства автоклавного газобетона его вводили в систему вместо портландцемента. При этом модификатор выполнял роль структуроформирующего компонента.
Расчет состава ячеисто-бетонной смеси и формование образцов производили согласно СН 277—80 «Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона». Содержание модификатора составляло 0—50% с шагом 10% и 100%.
Далее все образцы проходили автоклавную обработку при давлении насыщенного пара 1,6 МПа по режиму: подъем давления пара — 2 ч, изотермическая выдержка — 8 ч, спуск давления — 2 ч. Образцы разработанного рационального состава автоклавировали в промышленном автоклаве. Впоследствии были изучены плотность, прочность и теплопроводность газобетона (рисунок, табл. 2).
Таблица 3
0
Количество пор соответствующего размера, нм Количество наноструктурированного модификатора, %
0 10 20 30 40 50 100
3,5 см3 0,013 0,007 0,001 0,007 0,002 0,002 0
% 86,89 71,56 100 84,85 21,91 100 37,8
4,43 см3 0,001 - - 0,0002 - - 0,001
% 13,11 - - 2 - - 7,44
5,86 см3 - - - 0,001 - - 0,003
% - - - 13,15 - - 14,66
8,44 см3 - - - - - - 0,003
% - - - - - - 19,85
14,99 см3 - - - - - - 0,004
% - - - - - - 20,25
23,94 см3 - - - - - - -
% - - - - - - -
30,28 см3 - 0,003 - - 0,007 - -
% - 28,44 - - 78,09 - -
Объем пор с R<94,6 нм, см3/г 0,01 0,013 0,008 0,01 0,012 0,004 0,013
Ы ®
май 2014
45
Таблица 4
Состав и свойства газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора [7]
Состав формовочной смеси, % Свойства изделий
Известь Гипс Песок Алюминиевая пудра Цемент Нанострукту-рированный модификатор В/Т Плотность, кг/м3 Марка по плотности Предел прочности при сжатии, МПа Класс по прочности Теплопроводность, Вт/(м°С) Паропрони-цаемость, мг/(м.ч.Па) Морозостойкость, циклов
20 - 530 D500 4,21 В3,5 0,121 0,212 75
18 2 507 D500 5,41 В5 0,115 0,211 100
16 4 492 D500 4,82 В3,5 0,111 0,211 75
11,1 0,5 68,3 0,1 14 6 0,4 476 D500 4,61 В3,5 0,107 0,210 75
12 8 452 D500 4,43 В3,5 0,102 0,209 75
10 10 431 D450 4,02 В2,5 0,095 0,215 75
- 20 342 D350 1,08 В0,75 0,081 0,245 15
Из полученных данных следует, что увеличение содержания наноструктурированного модификатора способствует в первую очередь снижению плотности газобетона. Данный факт обусловлен более высокой плотностью цемента по сравнению с НМ. При этом данное явление отмечалось также при анализе формирования макроструктуры газобетона.
Особо стоит отметить тот факт, что полное исключение цемента из состава формовочной смеси позволяет получить теплоизоляционные материалы класса плотности D350 с классом по прочности В0,75. В настоящее время производство такого класса газобетона затруднено. Это связано с высокой плотностью портландцемента, входящего в состав связующего компонента. При этом до настоящего времени отказ от цемента был невозможен, поскольку такие материалы характеризовались низкими прочностными свойствами сырца. Кроме того, теплоизолирующая способность ячеистых бетонов напрямую зависит от макроструктуры материала (пористости), формирование которой обусловлено реологическими характеристиками смеси. Ранее было доказано, что введение наноструктуриро-ванного модификатора вместо цемента, несмотря на его высокую дисперсность, оптимизирует реотехноло-гические свойства ячеисто-бетонной смеси. При этом наноструктурированный модификатор характеризуется высокой активностью по отношению к гидроксиду кальция, способствуя раннему его связыванию в системе. Все это в совокупности приводит к формированию оптимальной макроструктуры материала и, как следствие, дает возможность получения теплоизоляционного газобетона.
Необходимо отметить также, что в настоящее время основным документом, регламентирующим технические характеристики автоклавного газобетона, является ГОСТ 31359—2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия». Данный ГОСТ был введен взамен ГОСТ 25485—89 «Бетоны ячеистые. Технические условия» в части ячеистых бетонов автоклавного твердения. Согласно ГОСТ 31359—2007 ячеистым бетонам в зависимости от их назначения устанавливаются определенные классы по плотности и прочности. Так, для теплоизоляционного газобетона плотность должна быть не выше марки D400 с классом по прочности не ниже В0,35, для конструкционно-теплоизоляционного — не выше D700 с прочностью не ниже класса В1,5. При этом строгая регламентация физико-механических характеристик газобетона отсутствует. Только в ГОСТ 25485—89 приводится соответствие марки по плотности классу по
прочности. В частности, для теплоизоляционного бетона марки по плотности D350 устанавливаются классы по прочности В0,75 и В1. Таким образом, в работе получен теплоизоляционный газобетон с маркой по плотности D350. При этом по прочностным характеристикам данный материал в полной мере удовлетворяет требованиям ГОСТ 25845—89 (класс по прочности В0,75), а по требованиям ГОСТ 31359—2007 характеризуется запасом прочности в два раза.
Увеличение модификатора в системе способствует также повышению прочностных характеристик газобетона. При этом при содержании НМ в диапазоне 20—40% наблюдается незначительное увеличение предела прочности при сжатии, превышающее значения для контрольного состава на 5—15%. Однако класс бетона по прочности при этом сохраняется равным В3,5. Дальнейшее увеличение количества модификатора в системе приводит к спаду плотности до марки D450 и прочности до класса В2,5. Тем не менее материалы полностью удовлетворяют соответствующим нормативным документам (ГОСТ 31359-2007).
Оптимальным с точки зрения физико-механических характеристик готовых изделий является введение наноструктурированного модификатора в количестве 10%. В данном случае при сохранении класса по плотности D500 наблюдается повышение прочности на 25% по сравнению с контрольным составом. Это позволяет получать материалы с заданной плотностью с более высоким классом по прочности, повысив его с В3,5 до В5.
Таким образом, введение наноструктурированного модификатора в состав газобетонной смеси позволяет получать теплоизоляционные и конструкционно-теплоизоляционные ячеистые бетоны. При этом их физико-механические свойства полностью удовлетворяют требованиям нормативных документов.
К числу важнейших характеристик ячеистых бетонов относится также теплопроводность материала, зависящая от его плотности. Изучение теплопроводности газобетона производилось методом цилиндрического зонда. Результаты представлены в табл. 2.
Как видно из приведенных данных, все материалы удовлетворяют требованиям соответствующих нормативных документов. При этом увеличение количества модификатора способствует снижению коэффициента теплопроводности, что свидетельствует о хороших изолирующих характеристиках изделий с его использованием. Данный факт обусловлен тем, что модификатор, входящий в состав ячеисто-бетонной смеси, оптимизи-
46
май 2014
рует реотехнологические свойства, что приводит к облегчению и интенсификации процесса вспучивания смеси. При этом газовыделение происходит в более короткие сроки. Все перечисленные факторы способствуют формированию рациональной поровой структуры материалов с использованием наноструктурированного модификатора, что и подтверждается значениями коэффициента теплопроводности изделий.
Характеристики газобетона зависят от его пористости. Различают три основных вида пористости: макро-, микро- и нанопористость. При этом пористость определяется размером пор, их максимальным и минимальным значением и расположением.
В процессе твердения бетона в автоклаве наряду с пористостью, формируемой за счет газовыделения, образуются также поры и капилляры за счет испарения влаги с поверхности и объема газобетона. В работе была изучена пористость изделий в зависимости от содержания модификатора в системе (табл. 3). Исследования проводили с использованием прибора SoftSorbi-II ver.1.0.
Анализ распределения пор по размерам свидетельствует, что наноструктурированный модификатор уплотняет структуру газобетона, препятствуя таким образом образованию в системе мелких пор. Это объясняется наличием в системе модификатора высокоактивного аморфного компонента, способного вступать во взаимодействие в доавтоклавный период с щелочным компонентом смешанного вяжущего, входящего в состав газобетона. При этом наноструктурированный модификатор, характеризующийся широким диапазоном размеров частиц твердой фазы, выступает в качестве
Список литературы
1. Вишневский А.А., Гринфельд Г.И., Куликова Н.О. Анализ рынка автоклавного газобетона России // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 40—44.
2. Череватова А.В., Павленко Н.В. Пенобетон на основе наноструктурированного вяжущего // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 115-119.
3. Мирошников Е.В., Строкова В.В., Череватова А.В., Павленко Н.В. Наноструктурированное перлитовое вяжущее и пенобетон на его основе // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 105.
4. Строкова В.В., Череватова А.В., Павленко Н.В., Мирошников Е.В., Шаповалов Н.А. Оценка эффективности применения наноструктурированного вяжущего при получении легковесных ячеистых композитов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 4. С. 48-51.
5. Лесовик В.С., Потапов В.В., Алфимова Н.И., Ивашова О.В. Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 60-62.
6. Нелюбова В.В., Алтынник Н.И., Строкова В.В., Подгорный И.И. Реотехнологические свойства яче-исто-бетонной смеси с использованием нанострук-турированного модификатора // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 2. С. 58-61.
7. Патент РФ 2472735 Сырьевая смесь и способ ее изготовления для наноструктурированного автоклавного газобетона / Строкова В.В., Лесовик В.С., Череватова А.В., Нелюбова В.В., Буряченко В.А., Алтынник Н.И. Заявл. 01.09.2010. Опубл. 27.04.2012. Бюл. № 12.
микронаполнителя между более крупными частицами кремнеземного компонента ячеисто-бетонной смеси. В совокупности это приводит к упрочнению структуры газобетона при сохранении необходимой плотности материала.
Наблюдается снижение нанопористости, что является положительным фактом, так как нанопористость присуща только межпоровой перегородке. Следовательно, уменьшение количества пор нанометрового диапазона будет способствовать повышению прочностных характеристик ячеистого композита.
Стоит отметить, что увеличение содержания НМ в системе способствует также формированию полидисперсной пористой структуры. При этом максимальное полимодальное распределение формируется при полной замене цемента на наноструктурированный модификатор. Это позволяет получать материалы с наименьшей плотностью при сохранении всех необходимых технико-эксплуатационных характеристик.
На основании проведенных исследований были предложены составы газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения (табл. 4).
Таким образом, показана эффективность использования наноструктурированного модификатора при проектировании ячеистых бетонов автоклавного твердения, что позволяет получать изделия с сохранением всех необходимых эксплуатационных характеристик. При этом полная замена цемента на НМ позволяет получать газобетон низкой плотности с высокими прочностными и теплоизолирующими свойствами.
References
1. Vishnevskij A.A., Grinfel'd G.I., Kulikova N.O. Analysis of Autoclave Aerated Concrete Market in Russia. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 40-44. (In Russian).
2. Cherevatova A.V., Pavlenko N.V. Foam-concrete on the basis of nanostructured binder. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2009. No. 3, pp. 115-119. (In Russian).
3. Miroshnikov E.V., Strokova V.V., Cherevatova A.V., Pavlenko N.V. Nanostructured perlite binder and based on it foam-concrete. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010. No. 9, pp. 105. (In Russian).
4. Strokova V.V., Cherevatova A.V., Pavlenko N.V., Miroshnikov E.V., Shapovalov N.A. Evaluation the effectiveness of the nanostructured binder in the production of lightweight cellular composites. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2011. No. 4, pp. 48-51. (In Russian).
5. Lesovik V.S., Potapov V.V., Alfimova N.I., Ivasho-va O.V. Increase of efficiency of binders through the use of nanomodifiers. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2011. No. 12, pp. 60-62. (In Russian).
6. Neljubova V.V., Altynnik N.I. Strokova V.V., Podgor-nyj I.I. Rheotechnological characteristics of cellular concrete mixture with application of nanostructured modifier. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2014. No. 2, pp. 58-61. (In Russian).
7. Patent RF 2472735 The raw material mixture and method of its manufacturing for nanostructured autoclave gas-concrete. Strokova V.V., Lesovik V.S., Cherevatova A.V., Neljubova V.V., Burjachenko V.A., Altynnik N.I. Declared 01.09.2010. Publeshed. 27.04.2012. Bulletin. No. 12. (In Russian).
Cj научно-технический и производственный журнал
® май 2014 47"
