Некоторые аспекты улучшения физико-механических характеристик теплоизоляционных пенобетонов

Пенобетон неавтоклавного твердения отстает от автоклавного по показателям качества и масштабам применения, тем не менее накопленный положительный опыт его изготовления и использования в различных регионах России и странах ближнего зарубежья и активные исследования, проводимые в ведущих технических вузах, проектных и научно-производственных организациях, создают необходимые предпосылки для существенного улучшения его качественных характеристик, снижения энергоемкости и затрат на производство, чтобы с наступлением энергетического кризиса можно было частично или полностью отказаться от автоклавной обработки [1].

В связи с повышением требований СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» к термосопротивлению ограждающих элементов зданий происходит существенное увеличение толщины стен возводимых и реконструируемых зданий из бетона на традиционных заполнителях. Зачастую используемые сегодня для изготовления бетона заполнители по показателям качества и экономической эффективности не полностью отвечают требованиям современных государственных стандартов.

Однако технология производства ячеистых бетонов является сложным многопараметрическим процессом. К настоящему времени вопросы структурообразования пенобетона изучены недостаточно. На практике это ведет к нестабильности качества получаемой продукции. Отсутствуют обоснованные рекомендации, позволяющие прогнозировать качество продукции при изменении режимов приготовления смеси, типа и параметров смесителя. Имеющиеся рекомендации носят частный характер с малой степенью обобщения [2].

При производстве существует большая вероятность нарушений технологии следующего вида: происходит разрушение поровой структуры еще до момента схватывания вяжущего; готовая пенобетонная смесь подвергается усадке; может возникнуть явление коалесценции пузырьков по высоте свежеуложенного массива. Как следствие, происходит нарушение структуры пенобетона, увеличение плотности и ухудшение физико-механических характеристик готовых изделий. Для совершенствования технологии пенобетона и улучшения его физикомеханических характеристик необходимо четкое понимание как на макро-, так и на микроуровне физико-химических процессов, происходящих в пенобетонной системе, начиная с первых минут ее приготовления [3].

В настоящее время уже имеется существенный практический опыт приготовления пенобетона, но без установленных закономерных явлений и процессов при его производстве проблематично разработать и практически реализовать научно обоснованные принципы производства пенобетонной смеси во время ее изготовления в смесителе. Поэтому исследования в области совершенствования технологии пенобетона играют значительную роль не только для производителей готового пенобетона, изделий и конструкций из него, но и для изготовителей производственного оборудования, выпускающих основной агрегат технологического комплекса - смеситель для приготовления пенобетонной смеси [4].

Один из важных показателей качества пенобетона - плотность, колеблющаяся в среднем в пределах от 200 до 1400 кг/м3. В основном для производства теплоизоляционных изделий и конструкций применяют пенобетон с плотностью 400-600 кг/м3. Чем ниже плотность, тем меньше теплопроводность материала, что ведет к экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов. С другой стороны, чем ниже плотность и выше пористость пенобетона, тем меньше его прочность. Теплоизоляционный пенобетон должен иметь достаточную прочность для сохранения целостности структуры во время транспортирования, монтажа и эксплуатации. Прочность регламентируется нормативно-технической документацией. В некоторых 37

случаях уменьшение плотности затрудняется не только из-за значения прочности, но и вследствие других факторов.

Снижение средней плотности пенобетона позволит изготавливать однослойные стены малой толщины и высокой теплотехнической однородности, превышающей однородность двух- и трехслойных стен в 1,5-2 раза. Низкая теплотехническая однородность требует дополнительного увеличения слоя утеплителя и толщины стены в целом.

При изготовлении неавтоклавного пенобетона в качестве заполнителей используются местные материалы и техногенные отходы – песок, барханные и полубарханные пески, пылевидные отходы дробления, золы, шлаки, стеклобой, фосфогипс и другие промышленные отходы, не обладающие стабильными и кондиционными свойствами. Производство неавтоклавного пенобетона организуется, как правило, по упрощенной схеме, небольшой мощности. Дозировка компонентов преимущественно объемная. Для пенобетона характерно изготовление на мобильных установках, используемых в построечных условиях при монолитном домостроении.

Для изготовления пенобетона применяется широкий ассортимент различных белковых и синтетических пенообразователей и стабилизаторов пены. Разработке и исследованиям свойств пенобетона автоклавного и неавтоклавного твердения на различных видах вяжущего, заполнителей и ПАВ посвящено много научных исследований. В них отчетливо просматривается тенденция уменьшения средней плотности пенобетона менее 500 кг/м3 для улучшения его теплозащитных свойств в наружных стеновых конструкциях, плитах покрытий и перекрытий, при теплоизоляции труб теплосетей канальной прокладки [5].

Объекты и методы исследований

Для получения достаточно прочного и пористого материала проведена серия экспериментов, целью которых являлось создание однородной структуры материала и формирование межпоровых перегородок с улучшенными физико-механическими характеристиками путем воздействия рецептурных факторов на показатели качества пенобетонов, активированных переменным электрофизическим воздействием с оптимальными параметрами [6].

В лаборатории кафедры «Технология вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики» Донского государственного технического университета был проведен ряд экспериментальных исследований, направленных на получение теплоизоляционного пенобетона марки по плотности D500 c улучшенными физико-механическими характеристиками за счет подбора вида заполнителя, сочетания его фракций и применения малоэнергоемкой активации переменным электрофизическим воздействием.

Для оценки влияния вида и фракционного состава на свойства активированных пенобетонов применялись портландцемент (ЦЕМ I 42,5Н) без добавок активностью 42 МПа и пенообразователь «ПБ-Люкс». В качестве заполнителей применялись окатанный и молотый пески четырех фракций (0,08-0,16 мм; 0,16-0,315 мм; 0,315-0,63 мм и смесь фракций 0,08-0,63 мм), а также отсев щебня идентичных фракций. Во всех опытах оставались постоянными: соотношение цемент/заполнитель, вязкость пенобетонной смеси (около 300–320 мм расплыва шликера на вискозиметре Суттарда), а также условия изготовления смесей, их укладки и обработки. Твердение всех образцов происходило в естественных условиях до проектного возраста 28 сут.

Пенобетоны подвергались электрофизическому воздействию с оптимальными параметрами, установленными авторами ранее, а именно:

• -    напряженность электрического поля – 3 В/см;

• -    частота – 50 кГц;

• -    продолжительность активации – 1 мин.

Формы со свежеуложенными смесями подсоединялись к генератору переменного электрического напряжения Г3-109 и мультиметру В7-21А для измерения приложенного напряжения. Активацию смеси электрофизическим воздействием проводили сразу же после укладки ее в формы [7, 8].

Помол песка производился на лабораторной планетарной шаровой мельнице «Активатор - 2S». Время помола составляло от 1 до 2 мин. Удельные энергозатраты на измельчение песка в шаровых барабанных мельницах нормальной дисперсности составляют 20–30 кВт∙ч/т.

Влияние вида и дисперсности заполнителя на эффективность активации пенобетонов представлено в таблице и на рисунках 1–3.

Результаты и их обсуждение

Таблица

Влияние вида и дисперсности заполнителя на эффективность активации пенобетонов

те n d> s n о kJ ч s m	те KJ 1-0	те СО И О О хо я CD й к S § й о ^ о «	Свойства пенобетонной смеси		Свойства пенобетонов
			° р	к те	о О т те и В g § Ugg к		kJ g s й S о Й   “ 5      К Я S   Е 2     О со к				к
					<	к	<	к	8	8 к
)S 2 kJ Й к о к о О о к	Фр. 0,080,16 мм	1,7	0,50	650	505	514	1,01/ 0,11	0,95/ 0,10	3,960	3,596	10,1
	Фр. 0,160,315 мм	1,5	0,49	630	499	511	1,08/ 0,13	1,01/ 0,11	4,337	3,868	12,1
	Фр. 0,3150,63 мм	1,2	0,48	620	493	490	0,91/ 0,10	0,88/ 0,09	3,744	3,665	2,2
	Фр. 0,080,63 мм	1,5	0,49	630	508	502	0,95/ 0,09	0,99/ 0,10	3,681	3,929	0
)S в S о к	Фр. 0,080,16 мм	1,7	0,50	690	542	558	1,17/ 0,12	1,06/ 0,11	3,929	3,404	15,4
	Фр. 0,160,315 мм	1,5	0,49	660	521	535	1,28/ 0,15	1,07/ 0,11	4,716	3,738	26,2
	Фр. 0,3150,63 мм	1,2	0,48	650	514	508	0,98/ 0,11	0,96/ 0,10	3,709	3,720	0
	Фр. 0,080,63 мм	1,5	0,49	660	524	516	1,05/ 0,12	1,16/ 0,12	3,824	4,357	0
те Я о	Фр. 0,080,16 мм	1,7	0,50	670	525	534	1,09/ 0,11	1,02/ 0,10	3,955	3,577	10,6
	Фр. 0,160,315 мм	1,5	0,49	650	511	523	1,15/ 0,12	1,05/ 0,10	4,404	3,839	14,7
	Фр. 0,3150,63 мм	1,2	0,48	640	504	498	0,94/ 0,09	0,91/ 0,09	3,701	3,669	8,7
	Фр. 0,080,63 мм	1,5	0,49	650	516	508	1,01/ 0,10	1,08/ 0,11	3,793	4,185	0

П эфф – показатель эффективности электроактивации материала, численно равный отношению приращения коэффициента конструктивного качества материала после активации к его значению до активации [7].

1,1

1,05

0,95

0,9

0,85

0,8

0,08-0,16      0,16-0,315      0,315-0,63      0,06-0,63

• —•— без активации  —•—активированный

  Рисунок 1 – Влияние размера фракций окатанного песка на изменение прочности при сжатии пенобетона

  
  
  

1,4

1,3

1,2

1,1

0,9

0,8

0,08-0,16       0,16-0,315      0,315-0,63       0,06-0,63

• —•— без активации  —•— активированный

Рисунок 2 – Влияние размера фракций молотого песка на изменение прочности при сжатии пенобетона

Рисунок 3 – Влияние размера фракций отсева щебня на изменение прочности при сжатии пенобетона

Анализ результатов продемонстрировал, что наибольшая эффективность малоэнергоемкой активации пенобетона достигается при применении молотого песка фракции до 0,160,315 мм.

При использовании же более крупных фракций песка необходима б о льшая мощность активации, т.е. повышение напряженности электрического поля, но в этом случае активация пенобетонной смеси перестает быть малоэнергоемкой, что противоречит основной идее метода.

Что касается вида заполнителя, то прочность у пенобетона на молотом песке выше, нежели у пенобетона на окатанном песке и на отсеве щебня. Это связано с более развитой удельной поверхностью частиц молотого песка по сравнению с частицами двух других видов заполнителя.

При этом наибольший скачок прочности активированного пенобетона по сравнению с неактивированным наблюдается при использовании молотого песка фракций 0,08-0,16 и 0,160,315 мм. Это объясняется положительным эффектом малоэнергоемкой активации именно на небольшие частицы песка. Совместное же использование двух различных фракций обеспечивает более компактную упаковку частиц в межпоровых перегородках, что также способствует повышению прочности пенобетона.

Анализ микроструктуры пенобетона при помощи микроскопа с 200-кратным увеличением показал, что при использовании песка из отсева щебня и окатанного песка структура пенобетона достаточно неоднородная, наблюдается коалесценция пор и их диаметр больше, нежели при использовании молотого песка (рис. 4).

Рисунок 4 – Фотографии микроструктуры пенобетона при использовании различных видов и дисперсности заполнителя: слева – окатанный песок, справа – молотый песок

Полученные активированные пенобетоны по сравнению с неактивированными обладают улучшенными физико-механическими характеристиками и могут применяться в качестве тепло- и звукоизоляции стен, полов, плит перекрытий. При этом малоэнергоемкая электроактивация способствует уменьшению количества брака при транспортировании и монтаже изделий из теплоизоляционного пенобетона.

Средняя плотность активированного пенобетона при использовании песка малых фракций чуть меньше, чем у неактивированного. Вероятно, это можно объяснить изменениями в поровой структуре пенобетона, а именно увеличением общей пористости.

Выводы

Таким образом, проведение серии экспериментальных исследований доказало, что при использовании наиболее рациональных рецептурных факторов и активации малоэнергоемким переменным электрическим полем с оптимальными параметрами улучшаются физико-механические характеристики пенобетонов.