Дисперсное армирование газобетонов неавтоклавного твердения

Повышение энергоэффективности зданий и сооружений за счет использования современных строительных материалов, обладающих улучшенными прочностными и теплоизоляционными свойствами, является одним из приоритетных направлений в области строительного материаловедения.

Теплоизоляционные и конструктивно-теплоизоляционные строительные материалы из ячеистых бетонов являются одними из перспективных и конкурентоспособных решений в области энерго- и ресурсосбережения. Теплофизические качества ячеистых бетонов позволяют создавать ограждающие конструкции, характеризующие высокой теплоемкостью с требуемой по расчету прочностью [1, 2]. Материал широко используется в промышленном и гражданском строительстве в виде панелей или стеновых блоков, а также в монолитном строительстве, что обусловлено экономической эффективностью возводимых объектов и высокими физикотехническими показателями изделий.

Газобетоны естественного твердения в сравнении с автоклавными изделиями характеризуются значительно меньшими затратами энергии, что обусловливает перспективу их широкого использования. Однако ячеистые бетоны подвержены усадочным деформациям, которые вызваны высоким водосодержанием. По ГОСТ 25485 для неавтоклавного бетона усадка при высыхании не должна превышать 3 мм/м, продолжительность проявления усадочных деформаций может превышать 180 дней с момента изготовления изделия.

Процесс твердения неавтоклавного газобетона сопровождается объемными изменениями, которые приводят к влажностным и карбонизационным усадочным деформациям. В результате усадки в цементном камне возникают внутренние напряжения, которые приводят к снижению прочностных показателей. Дисперсное армирование газобетонов добавками различной природы способствует снижению усадочных деформаций и повышению прочностных показателей за счет увеличения сцепления и плотности упаковки цементной матрицы [2, 3].

Исследования авторов [2–4] позволили установить, что волокна добавок (высокомодульные базальтовые и асбестовые волокна и низкомодульное полипропиленовое волокно) формируют самостоятельный каркас в процессе структурообразования цементного камня, способный воспринимать напряжения, возникающие при взаимодействии расширяющихся добавок с минералами клинкера вяжущего, и передавать их на цементный камень. Армирование дисперсными волокнами позволяет снизить усадочные деформации цементного камня и обеспечивает его расширение при концентрации фибры любого типа до 0,5 % [2].

В то же время наблюдается снижение величины усадочных деформаций до 30 % образцов цементного газобетона неавтоклавного твердения за счет введения волокон базальтовых отходов (4%), при этом предел прочности материала составляет 6,5 МПа [5, 6]. Применение волокон техногенного происхождения, состоящих главным образом из силикатных фаз (например, базальтовое и асбестовое волокно), наряду с уменьшением трещинообразования и усадочных деформаций неавтоклавных газобетонов способствует решению вопроса утилизации отходов [7–9].

Внедрение армирующих волокон положительно воздействует на прочностные показатели неавтоклавных газобетонов и придает им свойство сопротивляться растягивающим нагрузкам, что позволяет расширить область применения данного строительного материала, в том числе для создания износостойких конструкций [10–14]. Грамотно подобранные дисперсные волокна для газобетона естественного твердения могут стать центрами кристаллизации и способны повлиять на его структурообразование.

Цель исследования – разработка составов газобетонов неавтоклавного твердения, модифицированных полимерными и хризотиловыми волокнами.

Материалы и методы исследования

Исследования по созданию теплоизоляционного газобетона с повышенными физико– механическими характеристиками проводились с использованием в качестве вяжущего вещества портландцемента ЦEM I 42,5 Н ГОСТ 31108-2020.

С целью снижения усадочных деформаций цемента при гидратации в качестве мелкого заполнителя был использован полифракционный кварцевый песок с содержанием оксида кремния SiO 2 не менее 96 %, отвечающий требованиям ГОСТ 6139-2020.

В качестве добавки с кремнекислородным каркасом использовали дисперсию хризотиловых волокон. В работе использовали хризотил сорта 7-370 Баженовского месторождения, соответствующий требованиям ГОСТ 12871-2013 «Хризотил. Общие технические условия». Его химический состав представлен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав хризотила с Баженовского месторождения

Компонент	SiО 2	Аl 2 О 3	Fe 2 О 3	FeO	MgO	CaO	H 2 O	K 2 O + Na 2 О
Содержание, мас.%	42,60	0,65	1,04	0,45	40,77	0,03	13,46	Следы

Хризотиловые волокна подвергались обработке в вихревом диспергаторе кавитационного принципа действия. Для повышения стабильности дисперсии и предотвращение седиментации частиц в состав дисперсии дополнительно вводилось поверхностно-активное вещество (полиметиленнафталинсульфонатный суперпластификатор С-3). Концентрация волокон составляла 10 % от общей массы добавки при введении 1 % суперпластификатора С-3.

Для получения сравнительных результатов и определения оптимального выбора армирующей дисперсной добавки для неавтоклавных газобетонов использовалась полимерная фибра фирмы «ПОЛИАРМ», представляющая собой синтетические фибриллированные волокна (фибры) длиной 6, 12 и 18 мм, диаметром 18-25 мкм, подготовленные для комплексной модификации и армирования структуры цементного камня. Армирующий модификатор удовлетворяет требованиям ТУ 2272-006-1349727-2007.

В качестве газообразующей добавки использовалась алюминиевая суспензия (1 %) из алюминиевой пудры и сульфанола.

Для определения прочностных характеристик исследуемых составов изготавливались образцы – балочки размерами 40×40×160 мм и образцы – кубы размерами 100×100×100 мм. Распалубка образцов осуществлялась через 24 ч с момента их заливки в формы, образцы хранились в помещении при Т=20^°С и относительной влажности воздуха 60 - 75 %. Испытания проводились через 28 дней на лабораторном прессе ПГМ-100МГ4, обладающей скоростью нагружения 1 МПа/с. Для определения теплопроводности и термического сопротивления исследуемых образцов использовался измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 «100». Измеритель теплопроводности позволяет определять теплопроводность и термическое сопротивление материалов при средней температуре образца от +15 до +42,5 °С. Для проведения исследования изготавливались образцы размерами 100×100 мм и толщиной 20 мм, правильность геометрической формы и размеры образца исследуемого материала соответствовали ГОСТ 17177.

Результаты исследований и их анализ

Проведя анализ применения волокон различной природы на структуру и свойства минеральных матриц, для модификации физико-технических свойств ячеистых бетонов была выбрана концентрация содержания фибры от 0 до 3 % от массы вяжущего. Испытания проводились через 7 дней с момента изготовления образцов. По результатам проведенных испытаний была построена зависимость предела прочности и средней плотности от содержания полимерной (рис. 1 а) и хризотил-асбестовой (рис. 1 б) фибры в составе неавтоклавного газобетона.

а

Содержание полимерной фибры, % ^™ Rсж —•— ρср

о

1.16

1.14 о

1.12

1.1

1.08

1.06

1.04

1.02

0.98

0%      0.50%      1%      1.50%      2%       3%

Содержание базальтовой фибры, %

б

^™ Rсж —♦— ρср

Рисунок 1 – Влияние содержания фибры на прочностные характеристики и плотность неавтоклавного газобетона: а - полимерной фибры; б - хризотиловой фибры

Анализ проведенных испытаний показал, что оптимальное содержание дисперсной добавки в составе газобетонной смеси в количестве 0,5–1,0 % позволило сократить плотность материала с незначительным снижением прочностных показателей. При введении армирующей добавки в количестве 1,5–3 % произошло снижение прочностных показателей или повышение плотности неавтоклавного газобетона. Подобное поведение физико-технических параметров обусловлено нарушением сцепления контактной зоны за счет комкования фибры и избыточного воздухововлечения, вызывая усадочные деформации газобетона, которые увеличивают среднюю плотность ячеистой структуры.

Рост прочности при введении 1–1,5 % хризотиловой фибры можно объяснить тем, что волокна способствуют улучшению структурообразования цементной матрицы, поскольку дисперсные частицы выступают в качестве центров кристаллизации, формируя по поверхности волокон кристаллы новообразований гидросиликатов кальция. Дисперсные волокна асбестовой фибры осуществляют армирование смежных перегородок в ячеистой структуре газобетона, которые позволяют также увеличить предел прочности на сжатие и изгиб.

На основе анализа проведенных испытаний по оптимальному содержанию дисперсных армирующих добавок в составе неавтоклавного газобетона были выбраны составы с содержанием волокон в количестве 1 % от массы цементного вяжущего и установлены сравнительные механические параметры системы (рис. 2). Для определения предела прочности на сжатие изготавливались образцы-кубы размером 100×100×100 мм и выдерживались в естественных условиях в течение 7 дней.

Rсж     ρср

Рисунок 2 – Влияние содержания волокон на механические показатели газобетона

Данные, полученные в ходе проведенных испытаний, свидетельствуют о том, что при введении в состав неавтоклавного газобетона полимерных волокон меняется характер разрушения материала [15, 16]. Контрольные составы без содержания полимерной фибры, для которого установлены предел прочности на сжатие, имеют хрупкий характер разрушения, в то время как в дисперсно-армированных образцах наблюдалось линейное увеличение относительных деформаций при сохранении скорости нагружения. В ходе испытаний стало невозможным установить предел прочности для образцов с полимерной фиброй, так как разрушающая нагрузка при нагружении превышала 100 кН, поэтому был установлен предел текучести, который составляет только 30–40 % от предела прочности материала. Полимерные волокна позволяют распределить нагрузку при усадке по всей структуре цементного камня, минимизировав ее разрушение.

При дисперсном армировании неавтоклавного газобетона базальтовыми волокнами наблюдается увеличение предела прочности на сжатие на 53 % и уменьшение средней плотности на 11 % в сравнении с показателями контрольных составов, что свидетельствует о снижении усадочных деформаций и образовании модифицированной минераловолокнистой структуры цементной матрицы, обеспечивающей повышенную устойчивость и сопротивляемость усадочным деформациям в процессе твердения цементного камня, а также увеличение прочностных характеристик благодаря армированию межпоровых перегородок силикатными 77

волокнами и улучшенных процессов кристаллизации при гидратации и последующим набором прочности неавтоклавного газобетона.

Для определения влияния армирующих добавок на теплофизические характеристики неавтоклавного газобетона подготавливались пластинки размером 100×100×20 мм для определения термического сопротивления и теплопроводности образцов. По полученным результатам была построена зависимость теплофизических показателей от вида дисперсной добавки (рис. 3).

базальтовой фибры    полимерной фибры

Составы неавтоклавного газобетона

R-Термическое сопротивление;         λ- Теплопроводность;

Рисунок 3 – Влияние дисперсных добавок на термическое сопротивление и теплопроводность неавтоклавного газобетона

Добавление в составе газобетона дисперсных волокон увеличивает термическое сопротивление и снижает теплопроводность материала. Изменение показателей связано со снижением усадочных деформаций материала за счет дисперсного армирования, что позволяет обеспечить материал образованием равномерной пористой структуры без нарушения процессов структурообразования цементной матрицы газобетона.

Дифференциально-термический анализ газобетоных составов проводился в интервале температур от 60 до 1100 ° C со скоростью нагрева 30 ° C/мин.

На полученных дериватограммах (рис. 4) исследуемых образцов наблюдаются следующие термические процессы:

• -    эндотермический эффект в пределах температур от 100 до 200 ° C, возникший в результате испарения адсорбционной воды;

• -    при температурах 450-540 ° C можно наблюдать эндотермический эффект, обусловленный процессами дегидратации портландита Ca(OH) 2 ;

• -    эндотермический пик при температуре 576 ° C связан с перекристаллизацией диоксида кремния SiO 2 ;

• -    эндотермический эффект в интервале температур 700-800 ° C отвечает за разложение карбоната кальция, образующегося при взаимодействии углекислого газа и свободного гидроксида кальция и дегидратации гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция.

Рисунок 4 – Дериватограмма неавтоклавного газобетона:

а – контрольный образец; б – образец с введением 1 % хризотиловой суспензии

На спектрах газобетона, модифицированного хризотиловыми волокнами, возникает смещение в сторону увеличения температур и уменьшение интенсивности эффекта, обусловленного разложением карбоната кальция и продуктов гидратации цемента на основе гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция.

С целью получения более подробной информации и установления типа новообразований был проведен расчет потери массы образцами при соответствующих температурах (табл. 2).

Потери массы контрольного (К) и модифицированного (БФ) образцов

Таблица 2

№	Реакция	Эффект	Состав	Т, °С	Δmi, %
1	Удаление адсорбционной воды	Эндотермический	К	153,50	6,5
			БФ	162,00	7,8
2	Диссоциация портландита	Эндотермический	К	491,50	1,6
			БФ	503,00	2,0
3	Диссоциация CaCO 3 Дегидратация гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция	Эндотермический	К	772,50	3,3
			БФ	772,00	2,8

Изменение потери массы, увеличение температур физико-химических процессов диссоциации в образцах, армированных силикатсодержащей фиброй, свидетельствовали об образовании низкоосновных гидросиликатов кальция, которые образуют более плотную кристаллическую структуру цементного камня в отличие от высокоосновных. Таким образом, можно сделать вывод, что введение минерального волокна в качестве дисперсной добавки в состав неавтоклавного газобетона позволяет сформировать состав новообразований при кристаллизации, повышающий прочностные характеристики композита.

Результаты дифференциального термического анализа подтверждаются спектральными данными, полученных в ходе исследования контрольного и модифицированного составов на ИК-фурье спектрометре (рис. 5). Анализ газобетона был проведен на ИК-Фурье спектрометре IRAffinity-1 производства Shimadzu (Япония) в диапазоне частот от 400 до 4000 см-1.

а

Рисунок 5 а – Спектр инфракрасной спектроскопии неавтоклавного газобетона. Контрольный образец

б

Рисунок 5 б – Спектр инфракрасной спектроскопии неавтоклавного газобетона. Образец с введением 1 % хризотиловой суспензии

В результате расшифровки ИК-спектра образцов цементной матрицы были выявлены следующие функциональные группы (табл. 3).

Таблица 3

Результаты ИК-анализа цементных составов

Волновые числа	Группировка
3700-3200 (сил)	Валентные колебания ОН-групп в молекулах воды
1700-1600 (сил)	Деформационные колебания молекул воды
1450-1410 (сил) 860-900 (сл)	Карбонаты СO 32-
900-1200 (сил)	Силикатные группы -O-Si-O-
1200-1000 (сил) 600-670 (сл)	Сульфаты SO 4-2
500-400 (сил)	Оксиды металлов

При дисперсном армировании газобетона на спектрах наблюдалось изменение характера пика, соответствующего колебания гидроксильных групп, и смещение волновых чисел, характеризующих колебания силикатных группировок, что свидетельствовало об изменении основности гидросиликатов в структуре цементного камня.

Заключение

Модификация неавтоклавного газобетона дисперсно-армирующими добавками позволила увеличить прочностные свойства и снизить среднюю плотность образцов. Введение 1 % полимерных волокон от массы цементного вяжущего привело к снижению средней плотности на 28 %, при этом образцы характеризуются повышенным сопротивлением деформационной усадке. Добавление хризотиловой суспензии в состав газобетона в количестве 1 % от массы вяжущего привело к увеличению предела прочности на сжатие материала на 53 % за счет об- разования дисперсно-армированного минерального каркаса, который обеспечивает повышенное сопротивление усадке и увеличение механических свойств. Минеральная арматура оказывает положительное влияние на теплоизоляционные показатели неавтоклавного газобетона, который объясняется образованием равномерной пористой структуры за счет снижения деформационной усадки материала в процессе естественного твердения. Спектральные данные, полученные посредством ИК и ДТА/ТГ анализов, свидетельствуют об участии асбестовых волокон в структурообразовании цементного камня, которые выступают в качестве центров кристаллизации для образования низкоосновных гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция.