Мар 102011
 

Пенобетоны неавтоклавного твердения являются одним из эффективных решений при создании материалов с тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Общепризнанным на современном этапе уровня науки и техники является тот факт, что наилучшими по свойствам являются автоклавные ячеистые бетоны, в частности, газосиликаты. Но серьезным их недостатком являются большие капитальные затраты на организацию производства. Поскольку в южном федеральном округе наблюдается заметный рост производства пенобетона, ставится задача улучшить их свойства, получить прочностные показатели, сравнимые с автоклавными бетонами.

Одним из путей улучшения свойств является механическая активация. Действительно, диспергирование и механическая активация оказывает большое влияние на поверхностные свойства минералов и пород: происходит заметное изменение физических свойств и химической активности вещества. Это объясняется не только увеличением удельной поверхности и уменьшением размеров частиц, но и изменением структуры – аморфизацией поверхностных участков за счет протекания механохимических процессов [см. Авакумов Е. Г., Механические методы активации химических процессов. – 2-е издание. – Новосибирск: Наука, 1986; Черных В. Ф. Механические процессы и аппараты в технологии строительных материалов. – Краснодар: КГУ, 1978; Соломатов В. И., Дворкин Л. И., Пудновский И. М. Пути активации наполнителей композиционных строительных материалов. // Известия вузов. Строительство и архитектура. – 1987. – №1]. Следует отметить, что в активаторах без мелющих тел второй фактор должен преобладать, поскольку в этом случае изменение удельной поверхности будет гораздо меньше по сравнению с активацией в шаровых мельницах и вибромельницах.

Предварительными исследованиями было установлено, что эффект механической активации зависит от минералогического состава цемента, в частности, он увеличивается в случае высокоалюминатных цементов. Поэтому низкоалюминатные цементы, например Новороссийских цементных заводов, менее подвергались систематическому экспериментальному исследованию с целью ускорения набора прочности в ранние сроки.

 

Эффект механической активации зависит от минералогического состава цемента, в частности, он увеличивается в случае высокоалюминатных цементов.

 

По данным НИИЖелезобетона, более эффективна мокрая активация цемента (по сравнению с сухим домолом) при водоцементном отношении не более 0,5. Видимо, это обстоятельство было сдерживающим фактором широкого применения механической активации для тяжелых бетонов, когда при увеличении количества воды затворения (тем более – при использовании влажных заполнителей) сверх определенного предела наблюдается расслоение смеси и понижение прочности, особенно в ранние сроки.

При изготовлении ячеистых бетонов, особенно пенобетона, высокая водопотребность пенобетонных смесей не только не вредна в отношении расслоения смеси при избытке влаги, а наоборот желательна (особенно при получении бетона с низкой средней плотности). В этом случае не происходит отсос воды из пены, повышается стабильность пенобетонной массы, улучшаются свойства готового изделия. В то же время активация цемента или цементно-песчаного раствора при В/Ц более 0,5 целесообразно и в технико-экономическом отношении: облегчается выгрузка и транспортировка суспензии, и снижается расход электроэнергии, поскольку вода обеспечивает снижение прочности обрабатываемого материала. Целесообразность мокрого домола вяжущего вещества при повышенном водоцементном отношении показана и в работах других исследователей. Так, И. Н. Ахвердов отмечал, что воздействие различных механических колебаний ускоряет процессы пептизации и способствует увеличению количества гидратированных частиц, лучшему использованию цемента. В этом случае устраняется один из недостатков бетонов, полученных по обычной технологии, когда часть цементных зерен остается в качестве наполнителя, а не вяжущего.

Из практики известно, что портландцемент, особенно повышенной прочности, склонен к агрегированию и образованию флокул, что приводит к неполному использованию всех его потенциальных свойств. Можно полагать, что дополнительная активация цемента, в особенности с добавкой кварцевого песка, позволит избежать образования флокул, а также улучшить качество поверхности частиц заполнителя в результате разрушения поверхностных неактивных слоев.

Несмотря на кажущуюся простоту изготовления пенобетонных блоков, на практике встречаются трудности с получением материала средней плотности (700 кг/м3 и ниже) с достаточной прочностью. Поэтому на кафедре производства строительных изделий и конструкций КубГТУ проведена работа с целью улучшения показателей неавтоклавного пенобетона. Для исследования влияния механической активации смеси на свойства пенобетона был изготовлен лабораторный активатор объемом 6 л. Вращающие части расположены таким образом, что частицы смеси претерпевают максимальное количество соударений в единицу времени, а сама смесь задействована полностью при отсутствии так называемых «мертвых» зон в ее объеме. Скорость вращения вала составила 1000 об./мин. В качестве вяжущего вещества применяли портландцемент М500 Новороссийского завода «Пролетарий». Соотношение между вяжущим и мелким кварцевым песком, просеянном через сито 1,25, изменялось в зависимости от поставленной задачи. Количество воды подбиралось таким образом, чтобы подвижность растворных смесей без добавок и с добавками была одинаковой

Определение пластической прочности осуществляли на модифицированном приборе Вика, в котором игла для определения сроков схватывания была изменена на конус с углом при вершине 45°. В качестве пенообразователя использовали пенообразователь ПО-2000 (г. Иваново), ПО-ПБ-1 на основе вторичных алкилсульфатов натрия, разработанный сотрудниками ОАО «Новочеркасский завод синтетических продуктов» при участии сотрудников кафедр физики и производства строительных изделий и конструкций КубГТУ, а также смесь указанных пенообразователей. Пену получали в лабораторном пеногенераторе из 3 %-го раствора пенообразователя.

По химическому составу ПО-ПБ-1 является синтетическими углеводородным. В основе его производства – отечественное сырье, изготавливаемое на этом же предприятии. Для этого пенообразователя характерна экологичность (высокая биоразлагаемость), однако устойчивость пены в цементной системе недостаточно высока. Пенообразователь же ПБ2000 дает устойчивую во времени пену, однако тормозит процесс взаимодействия цемента с водой в ранние сроки твердения. Поэтому было проведено исследование пены, полученной на основе смеси этих пенообразователей

Для химической активации использовали добавки сульфата натрия и полуводного гипса. На первом этапе было изучено влияние количества кремнеземистого заполнителя и времени активации на свойства пенобетона.

Матрица планирования эксперименты и свойства пенобетонных образцов представлены в таблице 1 и на рис 1.

 

Таблица 1. Матрица планирования и строительно-технические свойства пенобетона

Коли-чество

песка, г

Время

актива-

ции, мин

Средняя

плот-

ность, кг/м3

Предел

прочности при сжа-

тии, МПа

Предел прочности при сжатии, приведенный к

плотности 700 кг/м3,

МПа

Коэффициент конструктив-ного качества

 

1200 9 678 2,6 2,8 58
400 9 775 6,1 4,7 97
1200 3 725 2,8 2,6 52
400 3 761 5,4 4,5 92
1200 6 722 3,3 3,1 63
400 6 754 5,6 4,8 98
800 9 724 4,3 4,0 82
800 3 809 5,6 4,1 83
800 6 810 5,9 4,4 89
800 6 822 6,1 4,4 90
800 6 833 5,9 4,2 85

 

 

Получены следующие уравнения регрессии:

R = 39,3 – 10х1 + 0,8х2 – 3,1х 12 – 4х 22 + 0,3х1х2

ККК = 80 — 20х1 + 1,6х2 – 6,41х 12 — 8,2х 22 +0,5х1х2

П = 752 – 27,5х1 — 20х2 — 49х 12 – 20,7х 22 – 15,25х1х2

(ККК представляет собой отношение предела прочности при сжатии к квадрату относительной плотности).

Анализ полученных уравнений показывает, что прочность и коэффициент конструктивного качества уменьшаются с увеличением доли песка в смеси, однако увеличенное количество песка и время перемешивания способствуют значительному уменьшению средней плотности. Видимо, это объясняется положительным влиянием заполнителя на устойчивость пены.

Для дальнейших исследований было принято соотношение между песком и цементном 1:6,5. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Из анализа таблицы 2 следует, что наилучшие показатели прочностных свойств и коэффициента конструктивного качества получены в диапазоне от 4 до 8 минут активации.

 

Таблица 2. Свойства пенобетонных образцов через 28 суток твердения.

Время активации, мин. Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 Коэффициент конструктивного качества, % Предел прочности при сжатии, приведенный к плотности

700 кг/м3, МПа

0 651 100 2,27
2 654 144 3,28
4 668 166 3,77
6 626 173 3,93
8 606 186 4,23
10 648 160 3,64

 

С учетом этого обстоятельства была составлена матрица планирования эксперимента при переменном количестве добавок и времени активации 6 мин. С учетом предварительно проведенных экспериментов для химической активации была применена комплексная добавка, включающая СаСI2 и CaSO4·0,5H2O в количестве 1 % от массы вяжущего, время механической активации составило 6 мин. В таблице 2 и на рис. 2 представлены результаты экспериментов по совместному влиянию механической и химической активации пенобетонных образцов в возрасте 28 суток.

 

 

Таблица 3. Матрица планирования и свойства пенобетонных образцов.

Хлорид кальция Полуводный сульфат кальция Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, приведенный к

плотности 700 кг/м3,

МПа

Коэффициент конструктивного потока
2 1,5 679 4,90 100
1 1,5 661 5,15 105
2 0,5 750 4,56 93
1 0,5 726 3,92 80
2 1 685 3,92 80
1 1 689 5,49 112
1 1,5 639 4,90 100
1,5 0,5 653 4,51 92
1,5 1 643 5,59 114
1,5 1 644 5,73 117
1,5 1 648 5,49 112

 

Анализ данных таблицы 3 и рис. 2, позволяет заключить, что при сочетании механической и химической активации наблюдается значительный рост прочностных показателей.

 

При сочетании механической и химической активации наблюдается значительный рост прочностных показателей.

 

Кроме этого, химическая активация способствует получению устойчивой пенобетонной системы, что особенного важно при изготовлении пенобетонных изделий с пониженной средней плотностью. Можно предположить, что за счет механической активации цементно-песчаной смеси происходит более полная гомогенизация и увеличение поверхностной энергии компонентов, что в основном определяется увеличением активных адсорбционных центров. Наблюдаемая в экспериментах тенденция к повышению активности обрабатываемых материалов и увеличению прочностных свойств пенобетона до определенного предела времени активации объясняется тем, что количество адсорбционных центров при данном способе обработки перестает изменяться. Поэтому увеличение времени активации свыше 6–8 минут является нецелесообразным как с технологической, так и с экономической точки зрения. Следует отметить, что указанная выше тенденция наблюдается как при механической, так и при механохимической активации.

Таким образом, при сочетании механической и химической активации наблюдается значительный рост прочностных показателей и коэффициента конструктивного качества (на 66–86 %). Можно получить пенобетонные изделия неавтоклавного твердения с прочностными показателями, характерными для автоклавных ячеистых бетонов. Химическая активация также способствует получению устойчивой пенобетонной системы, что особенного важно при изготовлении пенобетонных изделий с пониженной средней плотностью. С применением механо-химической активации налажено производство неавтоклавного пенобетона средней плотностью ρ0=250 кг/м3 без применения фиброволокна, который используется строительными организациями г. Краснодара в качестве теплоизоляционного слоя в наружных ограждающих конструкциях.

Пенобетон является уникальным строительным материалом, гармонично сочетающим в себе функции теплоизоляционного и конструкционного материала. Однако для обеспечения его широкого распространения в строительстве, помимо отработанной технологии производства пенобетонных изделий, необходимо также обеспечить высокие эксплуатационные свойства.

Практика показывает, что высокая паро- и воздухопроницаемость ячеистого бетона, обеспечивающая благоприятный микроклимат в помещении, обуславливает преждевременное отслоение цементно-песчаных штукатурных растворов (особенно наружных). Относительно невысокая прочность изделий накладывает также ограничение на прочностные свойства кладочных и отделочных растворов: слишком прочные цементные растворы «рвут» основание при твердении. Не секрет, что определенные трудности в достижении надежного и долговечного сцепления растворов с пенобетоном создает его повышенная деформативность при изменении влажности.

Очевидно, что к разработке составов кладочных и штукатурных растворов для пенобетонных изделий необходим особый подход. Разработке составов и технологий растворов для ячеистого бетона посвящены труды Удачкина И. Б., Силаенкова Е. С., Калинина А. Ю., Левина Н. И., Магницкой Л. Н., Макаричева В. В. и др. Е. С. Силаенков утверждал, что для повышения прочности и долговечности сцепления растворам необходимо придать свойства, максимально приближенные к свойствам основания. Вероятно, исходя из этого принципа, во многих технических рекомендациях по отделке ячеистобетонных поверхностей [см. Рекомендации по отделке ячеистобетонных стен жилых и промышленных зданий. – М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1987; СН 277-80 Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона. – М.: Госстрой СССР, 1980; Рекомендации по применению стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов. – 2-е издание исправленное и дополненное. – М.: ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, 1992] рекомендуется применять поризованные растворы или смеси на основе пористых заполнителей (перлита, вермикулита, керамзита, ячеистобетонной крошки). Безусловно, это разумное решение – применение пористого заполнителя, особенно дробленых отходов ячеистого бетона, обеспечивает более полное физико-химическое сродство материалов, выравнивание по параметрам теплотехнической однородности, по величине средней плотности, прочности и паропроницаемости. Тем не менее, это не решает проблему растрескивания и отслоения покрытий при влажностной усадке пенобетонных конструкций, так как растворы даже пониженной плотности не обладают необходимой для сохранения целостности эластичностью. Для повышения эластичности растворов И. Б. Удачкиным, например, рекомендуется введение полимеров в состав растворов. Подобные решения можно найти также в Рекомендациях [см. Рекомендации по применению стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов. – 2-е издание исправленное и дополненное. – М.: ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, 1992].

Нами была предпринята попытка объединения положительных свойств введения пористого заполнителя и полимерных компонентов на новом качественном уровне путем создания сухих штукатурных и кладочных смесей для работы с пенобетонными изделиями.

В качестве основного порообразующего агента был принят пористый заполнитель из отходов производства и применения теплоизоляционного пенобетона ρ0=250-300 кг/м3. Пользуясь собственной методикой [см. Удодов С. А., Черных В. Ф. Особенности свойств сухих смесей с применением пористых заполнителей. // Строительные материалы. – 2006. – №3], были подобраны оптимальные гранулометрические составы пористого заполнителя для штукатурной смеси (полифракционный, включающий 6 фракций заполнителя с размером зерен от 0 до 5 мм) и для кладочного раствора (состоящий из зерен 3-х наиболее легких фракций от 0,63 до 5 мм). В качестве полимерных компонентов применялись редиспергируемый полимерный порошок (РПП) на основе системы мономеров винилацетата, версатата и акрилата «Mowilith Pulver LDM 2080 P», водоудерживающая добавка (ЭЦ) «Месеllose FMC 22501» на основе метилгидроксипропилцеллюлозы и дисперсное фиброволокно (ФВ) на основе целлюлозы «Technocel 1004-1».

Оптимальные дозировки полимеров определялись на основании комплексного анализа ряда трехфакторных экспериментов, наблюдаемых по семи параметрам выхода: Y1 – В/Т при Пк=const=6-7 см; Y2 – водоудерживающая способность растворной смеси, %; Y3 – предел прочности раствора при сжатии, МПа; Y4 – предел прочности раствора при изгибе, МПа; Y5 – прочность сцепления с ячеистобетонным основанием, МПа; Y6 –деформации раствора при изменении температуры окружающей среды от +100 до –20 ºС, мм/м; Y7 – влажностные деформации при изменении влажности от 35 до 5 %, мм/м. Получены адекватные математические модели, описывающие закономерности формирования указанных свойств от количественного содержания полимерных компонентов:

Y1 = 0,686-0,005х2+0,033х3+0,009х12+0,019х22;

Y2 = 98,87+0,59х1-0,2х3-0,31х12+0,36х22+0,45х32;

Y3 = 3,57+0,237х1+0,027х2+0,036х12-0,035х22-0,125х32;

Y4 = 1,788+0,096х1+0,262х2+0,164х3-0,031х1х2+0,111х2х3+ 0,098х12+0,038х22+0,096х32;

Y5 = 0,481+0,065х1+0,107х2+0,039х3+0,071х1х2+0,031х2х3-0,07х12-0,051х32;

Y6 = 1,338-0,042х1+0,029х2-0,092х3-0,062х22;

Y7 = 2,631+0,112х1+0,196х2-0,32х3-0,031х1х2-0,009х1х3+ 0,211х2х3+0,071х12+ +0,169х22+0,112х32.

В результате комплексного анализа полученных данных были установлены оптимальные содержания полимерных компонентов для штукатурного раствора: ЭЦ – 0,37 %, РПП – 4,9 %, ФВ – 0,82 % от массы сухой смеси. Подобным образом были определены оптимальные дозировки полимерных компонентов для кладочной смеси: ЭЦ – 0,1 %, РПП – 1 %. Состав и основные строительно-технические свойства разработанных растворов приведены в таблицах 4 и 5.

 

Таблица 4. Составы сухих смесей для работы с ячеистобетонными изделиями

Наименование компонента Массовая доля
Штукатурный Кладочный
Цемент М500 ДО 0,349 0,565
Пористый заполнитель полифракционного состава 0,524
Пористый песок трехфракционного состава 0,283
Кварцевый песок, Мк=1,21 0,141
Гидратная известь 0,035
Молотый известняк 0,035
Эфир целлюлозы «Месеllose FMC 22501» 0,0034 0,001
Редиспергируемый порошок «Mowilith Pulver LDM 2080 P» 0,046 0,01
Целлюлозное волокно «Technocel 1004-1» 0,0077

 

Таблица 5. Основные строительно-технические свойства штукатурного и кладочного растворов пониженной плотности

Наименование показателя Значение
Штукатурный Кладочный
Растворная смесь
В/Т при Пк=6-7 см 0,69-0,71 0,50-0,52
Водоудерживающая способность, % 99 96
Затвердевший раствор
Средняя плотность, кг/м3 830 1025
Прочность при сжатии Rсж, МПа 3,52 6,58
Прочность при изгибе Rизг, МПа 2,15 2,81
Отношение Rизг /Rсж 0,61 0,43
Прочность сцепления с ячеистобетонным основанием (газобетон ρ0=900 кг/м3) Rсц, МПа 0,6 0,26
Влажностные деформации при изменении влажности от 35 до 5%, мм/м 2,45 2,15
Паропроницаемость, мг/м·ч·Па 0,27

 

Как следует из данных таблицы 5, разработанные растворы обладают достаточно высокой водоудерживающей способностью, что немаловажно для использования совместно с ячеистыми бетонами. Благодаря использованию пористого заполнителя среднюю плотность штукатурного и кладочного растворов удалось снизить до 830 и 1025 кг/м3 соответственно при соблюдении основных требований по прочности. Несмотря на довольно скромные прочностные показатели, растворы имеют высокое отношение прочности при изгибе к прочности при сжатии. Отношение Rизг /Rсж для разработанных кладочных растворов составляет 0,43, для штукатурных – 0,61, в то время, как для тяжелых бетонов этот показатель, в среднем, составляет 0,1–0,17, для легкого неавтоклавного бетона на керамзите – 0,22–0,3, на перлите – 0,25–0,45, для ячеистого автоклавного бетона на кварцевом песке – 0,2–0,35. Высокое отношение Rизг /Rсж свидетельствует о пониженной склонности растворов к трещинообразованию, а по мнению автора [см. Schumann D. Putz fur Bauwerke Arbeite // Baugeverbe. – 1981. – №22], трещинообразование штукатурки отсутствует, если Rизг/Rсж ≥ 0,29.

Стоит отметить также тот факт, что паропроницаемость штукатурного раствора средней плотностью 830 кг/м3 составляет 0,27 мг/м·ч·Па, что соответствует паропроницаемости равноплотного ячеистого бетона. Влажностная усадка растворов также приближена к усадке пенобетонного основания. Это позволяет раствору деформироваться синхронно с основанием при изменении влажности, а наличие полимеров в растворе обеспечивает его эластичность и трещиностойкость.

Влажностные деформации основания являются не единственной причиной преждевременного отслоения растворов. Важную роль в долговечности и надежности сцепления играют температурные деформации, а именно – разность температурных деформаций раствора и основания. Негативной особенностью именно температурных деформаций является то, что, во-первых, интенсивность их не снижается с течением времени, т.е. деформации сопровождают конструкцию в течение всего периода ее эксплуатации, а во-вторых, они носят знакопеременный характер, т.е. чередуются деформации сжатия и расширения, что приводит к ускоренному накоплению усталостных трещин в контактной зоне.

 

Важную роль в долговечности и надежности сцепления играют температурные деформации, а именно – разность температурных деформаций раствора и основания.

 

Можно предположить, что снизив или полностью исключив фактор разности температурных деформаций посредством снижения средней плотности раствора до уровня плотности основания, а также применив комплекс современных полимерных компонентов, мы повысим прочность и долговечность соединения раствора с ячеистым бетоном.

Для проверки этой гипотезы был проведен следующий эксперимент. Подготавливались образцы ячеистобетонного основания размером 350х100х50 мм, все грани которых имели поверхностную пористость после распиловки. Образцы изготовлялись из двух типов ячеистого бетона: газобетона нормального твердения, ρ0=850-900 кг/м3, Rсж=5-5,2 МПа и пенобетона нормального твердения, ρ0=620-650 кг/м3, Rсж=2,2–2,5 МПа. На полученные ячеистобетонные поверхности с одной стороны наносился слой штукатурного раствора толщиной 15 мм. На часть образцов ячеистого бетона наносился цементно-песчаный штукатурный раствор, на другую часть – штукатурный раствор пониженной плотности. Кроме того, отделочные растворы делились на растворы без полимерных добавок и растворы с полимерными компонентами. При этом количество полимерных добавок при назначении для плотного раствора пересчитывалось с учетом разности в насыпной плотности сухих смесей.

Растворы твердели в нормальных условиях 28 суток, после чего подвергались циклическим температурным воздействиям: подъем температуры до +100 ºС и снижение до –20 ºС. Длительность одного цикла – 48 часов. После каждых трех-пяти циклов температурных воздействий проверялась остаточная прочность сцепления отделочных слоев с ячеистобетонным основанием. По результатам испытаний построены кривые остаточной прочности сцепления от продолжительности температурных воздействий для двух типов ячеистобетонного основания (рис. 3).

 

 

   
без полимерных добавок с полимерными добавками
Рис. 3 Влияние циклических температурных воздействий на остаточную прочность сцепления растворов:  – облегченного с пенобетоном,  – плотного с пенобетоном,  – облегченного с газобетоном,  – плотного с газобетоном

 

Установлено, что при колебаниях температуры в диапазоне от +100 до –20 ºС прочность сцепления растворов пониженной плотности без полимерных добавок снижается в 2,2 раза медленнее, чем прочность сцепления цементно-песчаных растворов, причем прогнозируемое полное отслоение происходит в первом случае через 38–40 циклов, во втором – через 17–18 циклов; прочность сцепления полимерцементных растворов пониженной плотности снижается в 1,53 раза медленнее, чем у плотных полимерцементных растворов, причем прогнозируемое полное отслоение происходит в первом случае через 62–65 циклов, во втором – через 40–42 цикла.

Из проведенных экспериментов следует, что снижение средней плотности растворов до уровня средней плотности основания посредством введения заполнителя из ячеистого бетона при одновременном использовании полимерных добавок способствует не только повышению паропроницаемости, выравниванию теплотехнических показателей ограждения по всей толще, но и повышению долговечности соединения при внешнем воздействии переменных температур.

 

В. Ф. Черных, канд. техн. наук, профессор;

С. А. Удодов, инженер;

Е. В. Шестакова, инженер,

Кубанский государственный технологический университет

 

 

 Posted by at 19:27

 Leave a Reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

(required)

(required)

Включите изображения, чтобы увидеть вопрос *

Яндекс.Метрика