Оптимизация составов ячеистых бетонов

В настоящее время в связи с повышением требований к наружным стенам в части теплозащиты значительное место при возведении зданий и сооружении отводится материалам ячеистой структуры (газо- и пенобетонам), которые являются более выгодными чо сравнению с другими теплоизоляционными материалами. Установлено, что масса стен из пенобетонных панелей и мелких блоков в 1,5-3,0 раза, а расход энергии на производство изделий в 2,0-2,5 раза меньше, чем у аналогичных изделий из бетонов на пористых заполнителях. Ограждающие конструкции на основе ячеистых бетонов резко снижают теплопотери зданий, так как теплопроводность газо- и пенобетона значительно ниже, чем у керамзитобетона. К достоинствам ячеистых бетонов можно отнести и то, что они могут быть изготовлены из местных строительных материалов и отходов промышленных предприятий.

К настоящему времени по пенобетонам как отечественными, так и зарубежными исследователями выполнен большой объем научных и практических исследований. При этом усилия исследователей были направлены в основном на разработку технологии их получения и изучение прочностных характеристик. В то же время, на наш взфяд вопросы структурообразования и долговечность пенобетонов изучены пока недостаточно полно и без учета специфических свойств материала. Такое положение приводит в некоторых случаях к применению нестабильного ецрья и бетонов малой долговечности. Практика показывает, что все факторы, от которых зависит долговечность материалов, обобщенно можно разделить на две руппы формирующие структуру материала (свойства сырьевых материалов, технологические параметры изготовления, физико технические свойства материала и др.) и эксплуатационные (воздействие атмосферных факторов, агрессивной среды, механических нагрузок и т. д.). От правильного выбора указанных факторов и полноты исследования их взаимного влияния зависят достоверность представления о свойствах материала и выбор эффективных направлений повышения его долговечности.

Учитывая вышесказанное, мы провели исследования ячеистых бетонов, целью которых являлось получение материала на местных материалах и недефицитной пене, обладающих повышенными эксплуатационными показателями. На первом этапе была проведена оптимизация составов цементных композитов для пенобетонов, установлены оптимальные значения содержания пенообразователя и воды, степени наполнения композиции наполнителями раз личной природы и гранулометрического состава.

В технологии изготовления пенобетонов в качестве пенообразователей применяют вещества различной природы клееканифольное мыло, пенообразо ватели для пожаротушения, смолосапониновый раствор «Неопор», пенообразователи на основе белков микробного синтеза и т.д. Однако, как отмечают многие исследователи, наибольшей эффективностью обладают пенобетоны, составленные с применением малодефицитных пенообразователей.

В качестве такого пенообразователя нами была выбрана недефицитная пожарная пена марки ПО 1. На первом этапе было оптимизировано ее количественное содержание в композитах. Оно варьировалось от 0 до 3% от массы связующего. Цементно-песчаные растворы изготавливались на кварцевом и местном глинистом песке состава 1.1. Исследуемыми параметрами служили плотность и предел прочности при сжатии пенобетонов. Получены составы пенобетонов, обладающие плотностью от 2000 кг/м (при содержании пенообразователя 0,25%) до 850 кг/м (при содержании пенообразователя 2,5%). При этом прочность при сжатии изменялась от 25-30 до 2-6 МПа. Результаты исследований приведены на рис 5.30.

Известно, что одной из нежелательных особенностей принятой до недавнего времени технологии ячеистых бетонов являлась необходимость помола кварцевых песков. Данная операция значительно усложняла технологический процесс. В этой связи актуальными яваяются исследования, относящиеся к использованию немолотых песков различной крупности. В качестве наполнителя нами были апробированы местные пески и Вольский кварцевый песок. Пески были просеяны через комплект сит, а затем на песках разной фракции (менее 0,14 мм, 0,14—0,315 мм; 0,315-0,63 мм, 0,63-1,25 мм) были изготовлены составы с плотностью от 2100 кг/м до 1100 кг/м при содержании пенообразователя ПО 1 до 3,0% от массы связующего. Результаты исследований плотности и прочности композитов показаны на рис 5,31.

Анализ результатов эксперимента позволил выявить составы на кварцевом песке, обладающие наилучшими показа елями при наименьшей плотности. Эти составы были получены на песке фракции 0,315-0,63 мм при содержании пенообразователя 3,0% от массы связующего. Плотность составов при этом удалось уменьшить до 500 кг/м. Из результатов также следует, что на местных песках разной дисперсности и при различном содержании пенообразователя ПО-1 в составе смеси можно получить пенобетонные изделия со средней плотностью в пределах от 2000 до 850 кг/м. В дальнейшем для проведения экспериментальных исследований композитов ячеистои структуры применяли кварцевый песок фракции 0,315-0,63 мм и местный песок фракции 0,14-0,315 мм.

Плотность как наиболее важный показатель для ячеистых бетонов во многом определяется природой составляющих компонентов материала. Для получения композита с пониженной плотностью необходимо применять в качестве наполните и легкие пористые породы, которые в достаточном количестве присутствуют на территории Мордовии. Учитывая, что составы и свойства пенобетонов на местных сырьевых материалах исследованы недостаточно полно, нами осуществлен подбор составов ячеистых композитов с применением местных легких материалов. В качестве таковых использовали диатомит и отходы керамического производства в виде кирпичной пыли. При определении оптимального наполнения ими цементных композитов нами оптимизировались такие параметры, как средняя плотность и прочность при сжатии. Степень наполнения изменяли в пределах от 0,1 до 3,0. Составы были изготовлены равноподвижными. Результаты экспериментальных исследований представлены в табл 5.11.

Лучшие результаты показали композиты, наполненные кирпичной пылью, со степенью наполнения 0,1. Их плотность составила 2300 кг/м3 и прочность при сжатии 38 МПа. Композиты с диатомитом показали наилучшие результаты при степени наполнения 0,5 плотность 1600 кг/м и прочность 35 МПа. Дальнейшее наполнение композитов диатомитом привело к резкому падению прочности и увеличению водопотребности. В таких образцах возникали большие усадочные напряжения, что приводите к трещинообразованию уже на стадии термовлажностной обработки.

На следующем этапе в составы вводился пенообразователь марки ПО-1 в количестве 3-4% и в скоростном смесителе получали вспененные композиты, результаты исследования которых представлены на рис. 5.32 и 5.33.

В зависимости от степени наполнения диатомитом и количества пенообразователя получены составы пенобетонов плотностью от 2000 кг/м до 500 кг/м3. Составы на диатомите могут быть применены для изготовления материалов и конструкций теплоизоляционного конструктивно теплоизоляционного и конструктивного назначения в зависимости от средней плотности композита. Составы, наполненные кирпичной пылью в соотношении 1:1 от массы связующего, показали лучшие результаты. При изменении плотности композитов от 2000 кг/м до 550 кг/м прочность изменяется от 30 до 1,2 МПа. На основе цементных композитов, наполненных кирпичной пылью, можно изготавливать конструкции теплоизоляционного конструктивно-теплоизоляционного и конструктивного назначения.

Следующий этап работы состоял в исследовании физико-механических и эксплуатационных свойств пенобетонов, приготовленных с использованием недефицитного пенообразователя и местных материалов. При получении пенобетонов рассматривались ненаполненные и наполненные цементные композиты различной плотности. Плотность пенобетонов изменялась от 1700 до 500 кг/м3 путем варьирования количественного содержания пенообразователя. В качестве наполнителей применялись кварцевый и местный песок, кирпичная пыль, диатомит, костра. Составы пенобетонов представлены в табл. 5.12.

В качестве показателей, характеризующих прочность и жесткость пенобетона, мы рассматривали соответственно прочность при сжатии и изгибе. Для определения этих свойств проводились испытания образцов в форме кубов и призм размером соответственно 4x4x4 и 4x4x16 см.

Коэффициент теплопроводности определялся с помощью прибора ИТ-1 на образцах размером 150x150x150 мм. Испытания проводили на трех образцах каждого состава. Были исследованы составы с плотностью от 1700 до 500 кг/м на различных наполнителях.

Измерение усадки начиналось после того, как образцы приобретали распалубочную прочность.

Морозостойкость исследовалась в соответствии с ГОСТ 10060 1-95. Контролируемыми параметрами служили масса и прочность образцов при сжатии, которые определялись после 25, 50, 75, 100 125, 150, 175, 200 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Результаты испытаний физико механических и эксплуатационных свойств пенобетонов приведены в табл. 5.13.

Испытания показали, что прочность пенобетонов уменьшается с понижением средней плотности композитов. При изменении плотности от 1700 до 1000 кг/м прочность изменялась от 40 до 4 МПа. Для наполненных цементных композитов при плотности 1000-1200 кг/м3 показатели прочности при сжатии 10-25% выше, чем у ненаполненных. Прочность при изгибе изменяется от 8 до 0,5 МПа. Для наполненных композитов этот показатель на 5-10% выше, чем у ненаполненных. Таким образом, на малодефицитном пенообразователе и различных наполнителях возможно получение пенобетонов, обладающих пониженной плотностью и достаточно высокими физико-механическими свойствами.

Коэффициент теплопроводности пенобетонов зависит от природы наполнителя. Лучшие теплотехнические свойства характерны для составов на пористых заполнителях (с диатомитом, кирпичной пылью). У них плотность составляет 500 кг/м3, а коэффициент теплопроводности 0,08 и 0,09 Вт/(м С) соответственно. В случае применения в качестве наполнителя местного песка эти показатели также не превышают показателей теплопроводности для композитов на традиционном кварцевом заполнителе. С увеличением пористости наблюдается улучшение теплотехнических свойств композитов. При изменении средней плотности, связанной с увеличением пористости, от 1200 до 500 кг/м3 коэффициент теплопроводности изменяется от 0,08 для композитов, наполненных диатомитом, до 0,33 Вт/(м °С) для композитов на кварцевом песке.

В зависимости от вида наполнителя, применяемого при изготовлении пенобетонов, величина линейной усадки изменяется от 1,47 (при наполнении местным песком) до 5,22 мм/м (при наполнении кострой). С увеличением количества пенообразователя, ведущим к уменьшению средней плотности композита, при использовании местных песков величина усадки изменялась незначительно - от 1,47 мм/м при плотности пенобетона 1700 кг/м3 до 1,93 мм/м при плотности 800 кг/м3, что связано, вероятно, с формированием в композите устойчивого минерального скелета из песчаного заполнителя. Также произошли незначительные изменения величины усадки композитов на кирпичной пыли в зависимости от изменения средней плотности. При плотности 1200 кг/м усадка составила 2,05 мм/м, а при плотности 500 кг/м она оказалась равной 2,35 мм/м.

Анализируя данные экспериментальных исследований морозостойкости, можно сделать вывод, что при уменьшении средней плотности цементных композитов до определенного уровня этот показатель увеличивается. Из рассмотренных составов меньшей морозостойкостью обладают составы, наполненные диатомитом.

При получении пенобетонов на основе связующего из боя стекла в качестве пенообразующих добавок служили пожарная пена ПО-3, ненасыщенная жирная кислота (мыльный раствор), а также пена на основе органических протеиновых составляющих «Неопор». При использовании пены «Неопор» технология получения пенобетонов включала в себя раздельное приготовление пены и растворной смеси с последующим их совмещением. В случае применения пены ПО-3 и мыльного раствора в растворную смесь вводился непосредственно пеноконцентрат, а затем осуществлялось их перемешивание в скоростном смесителе. Результаты эксперимента по получению ячеистых бетонов на основе стеклощелочного связующего с использованием названных выше пенообразователей приведены в табл. 5.14.

Из результатов эксперимента видно, что лучшие результаты получаются при использовании пожарной пены ПО-3. С ее применением получены составы с показателем средней плотности от 1600 до 800 кг/м при значении предела прочности при сжатии от 12 до 0,5 МПа.

При получении газобетонов на основе стеклощелочною связующего в качестве газообразующих добавок использовались алюминиевая пудра и перекись водорода. С целью достижения более гомогенного распределения алюминиевой пудры в объеме формовочной массы она вводилась в виде суспензии в жидком натриевом стекле непосредственно в смесь, обладающую необходимой подвижностью. Оптимизация соотношения компонентов ячеистого бетона с алюминиевой пудрой в качестве газообразующей добавки проводилась с использованием метода математического планирования эксперимента, а именно плана эксперимента для полиномиальных моделей второго порядка. Матрица планирования составлена согласно комплексному симметричному трехуровневому плану второго порядка на кубе. В качестве варьируемых факторов рассматривались - содержание едкого натра - Х1, алюминиевой пудры - Х2; жидкого натриевого стекла - Х3. Пределы варьирования факторов в каждом случае определялись на основании предварительных экспериментов и составили: для едкого натра - 2-10 мас. ч., для алюминиевой пудры - 0,1-0,7 мас. ч., для жидкого натриевого стекла - 5-15 мас. ч. При проведении эксперимента количество стеклопорошка молотого керамзита и гипса было фиксированным и составило соответственно 85, 20 и 5 мас. ч. Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в табл 5.15.

После реализации опытов, выполненных в соответствии с планом эксперимента и обработки экспериментальных данных получены графические зависимости изменения средней плотности и прочности ячеистых бетонов от соотношения варьируемых компонентов (рис. 5,34).

Из графиков видно, что оптимальное соотношение варьируемых факторов следующее: едкий натр - 5-6 мас. ч., алюминиевая пудра - 0,3-0,4 мас. ч.; жидкое стекло - 10 мас. ч.

Результаты эксперимента по получению ячеистых бетонов на основе стеклощелочного связующего за счет введения в его состав в качестве азообразующей добавки перекиси водорода приведены на рис. 5.35. Из приведенных графиков видно, что лучшими показателями обладают составы, в которых в качестве добавки используется алюминиевая пудра. В этом случае показатель средней плотности удается снизить до 400-500 кг/м3 при значении предела прочности при сжатии 0,5-0,9 МПа.

Результаты исследований по определению коэффициента теплопроводности полученных материалов показали, что для газобетонов на основе стеклощелочного связующего при средней плотности 500 кг/м3 его величина оказывается меньшей, чем для материалов на портландцементе с аналогичным показателем средней плотности, и составляет 0,13 Вт/(м*°С).

Баженов Ю.М., Король Е.А., Ерофеев В.Т., Митина Е.А., Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности, М., АСВ, 2008