Управление структурообразованием поризованных цементных композиций при изготовлении теплоэффективных ограждающих конструкций повышенного качества

Всоответствии с концепцией развития строительной отрасли России до 2030 года важными задачами являются эффективное ресурсное обеспечение объектов жилищного, в том числе и индивидуального, строительства с максимальным использованием местного сырья, а также снижение энергозатрат в производстве строительных материалов и эксплуатации зданий. Оптимальным решением поставленных задач является повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций, снижение стоимости возведения, обеспечение комфортной и безопасной среды для проживания путем использования для строительства зданий теплоизоляционного пенобетона повышенного качества. Теплоизоляционный

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ пенобетон в стеновых конструкциях обеспечивает хорошую теплозащиту жилья, требуемую несущую способность и долговечность [1].

При производстве эффективного по теплофизическим параметрам неавтоклавного пенобетона с низкой средней плотностью возникают проблемы в управлении процессами обеспечения стабильной ячеистой структуры, высокой прочности, уменьшения усадки при высыхании и теплопроводности [2, 3]. Для широкого применения неавтоклавного пенобетона в производстве изделий и в монолитном строительстве необходимо научно обосновать и разработать инновационные способы управления структурообразованием с целью повышения его качества [4].

Улучшение физико-механических свойств пенобетона достигается благодаря совершенствованию или разработке новых технологических приемов, позволяющих регулировать объемные структурообразующие процессы на разных масштабных уровнях, а именно: на микроуровне – цементная матрица; на контакте взаимодействующих компонентов – цементный камень – заполнитель; на макроуровне – прочный каркас из мелкого заполнителя (песка) [5].

Не зависимо от агрегатного состояния все компоненты пенобетона участвуют в механическом и физико-химическом взаимодействии при структуро-образовании. При управляемой предварительной активации заполнителя повышается химическая активность поверхности зерен и ускоряется процесс взаимодействия с цементной матрицей на границе раздела фаз. Химическая или механохимическая активация заполнителя пенобетонной смеси при использовании структурно-феноменологического анализа взаимосвязи микроструктурных показателей с физико-механическими свойствами позволяет прогнозировать улучшение основных технологических и технических параметров качества пенобетона.

Установлено, что обработка заполнителя водными растворами кислот приводит к повышению химической активности поверхности, взаимодействию гидратных соединений цементного камня с зернами заполнителя, к повышению микротвердости контактной зоны и прочности пенобетона [6, 7].

В настоящее время достаточно хорошо изучен вопрос о применении модифицирующих добавок, влияющих на реологические свойства цементной матрицы и структурообразование пенобетонной смеси [8–12]. С использованием современных модифицирующих добавок управляют удобоукладываемостью и сроками схватывания пенобетонной смеси, снижают усадку, повышают однородность, а также прочность пенобетона до 25% [14–16], уменьшают расход цемента на 10–15% [9, 13]. Для получения наибольшего эффекта от действия модифицирующих добавок следует предварительно активировать поверхность заполни- теля. Значительное влияние на прочность пенобетона оказывает прочность сцепления цементного камня с заполнителем [17]. Контактная зона — это важнейший структурный элемент пенобетона, управляя которым можно обеспечивать требуемые параметры качества проектируемого бетона.

В данной работе для химической и механохими-ческой активации поверхности кварцево-полевошпатового песка предлагается использовать глиоксаль кристаллический и 40% водный раствор глиоксаля. В щелочной среде гидратирующегося цемента глиоксалевая добавка взаимодействует с гидроксидом кальция, образующимся в результате гидролиза алита, минерала цемента, с образованием гликолята кальция (HO–CH2–COO)2Ca, увеличением объема новообразований и матрицы пенобетона [18–21]. Гликолят кальция адсорбируется на иглообразных кристаллах эттрингита, снижается объем порового пространства в цементном камне и увеличивается прочность [22, 23]. Исходя из этого предполагается, что при предварительной активации поверхности зерен заполнителя глиоксалевыми добавками и введении их в пенобетонную смесь можно уменьшить пористость и повысить прочность цементного камня в контактных зонах с зернами заполнителя, что позволит повысить физико-механические параметры качества пенобетона.

Цель исследования – установить закономерности химической и механохимической активации заполнителя глиоксалевыми добавками на структурообра-зование и свойства цементного пенобетона.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

При проведении исследований использовались материалы, представленные в табл. 1.

Технические характеристики глиоксалевых добавок представлены в [1].

Физико-механические свойства пенобетона определялись в соответствии с требованиями национальных стандартов:

– испытание и оценка качества пенобетона – ГОСТ 25485–2019;

– средняя плотность – ГОСТ 12730.1-2020;

– предел прочности на сжатие и оценка качества партии (серии) из 6 образцов – ГОСТ 10180-2012 и ГОСТ 18105-2018;

– теплопроводность – ГОСТ 7076-99 с использованием измерителя теплопроводности ИТС-1.

Определение пластической усадки осуществлялось по авторской методике, представленной в [8].

Структура порового пространства пенобетонов исследовалась с использованием двухлучевого растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D в режиме низкого вакуума при стабильном ускоря-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 1

Сырьевые материалы для пенобетонной смеси

Наименование материала	Соответствие требованиям нормативного документа
Портландцемент ЦЕМ I 42.5Н Топкинского завода	ГОСТ 31108-2020
Кварцево-полевошпатовый песок Кудровского месторождения Томской области с модулем крупности 1.8	ГОСТ 8736-2014
Пенообразователь ПБ-2000	ТУ 2481-185-05744685-01; ГОСТ 24211-2008
Водопроводная вода	ГОСТ 23732-2011
40% водный раствор глиоксаля (ТД «Новохим» г. Томск)	ТУ 2633-003-67017122-2011
Глиоксаль кристаллический (ТД «Новохим» г. Томск)	ТУ 2633-004-67017122-2011

Таблица 2

Контрольный состав пенобетона

Марка пенобетона по плотности Расход исходных материалов на 1 м3 портландцемент, кг кварцево-полевошпатовый песок, кг водопроводная вода, кг пенообразователь, л D500 270 135 202 1,3 ющем напряжении до 20 кВ. Исследование пористой структуры пенобетона проводилось методом ртутной порометрии на порозиметре Quantachrome 33.

Контрольный состав пенобетонной смеси разрабатывался в соответствии с требованиями СН 277-80 (табл. 2).

Приготовление пенобетонной смеси производилось по одностадийной технологии с использованием лабораторного смесителя.

На основе ранее полученных данных была разработана блок-схема исследований теплоизоляционного цементного пенобетона, модифицированного глиоксалевыми добавками (рис. 1).

Научное обоснование и выбор модифицирующей добавки

Ранее проведенными исследованиями водопотребности, кинетики раннего структурообразова-ния и твердения цементного камня с глиоксалевой добавкой установлен положительный эффект, что и явилось основанием выбора добавки для реализации поставленной цели [1, 9, 23, 24].

Установление способа введения и оптимального содержания глиоксальсодержащих добавок в пенобетонную смесь

По результатам анализа различных известных способов активации, последовательности введе-

Рис. 1. Блок-схема исследований пенобетона

ния модифицирующих добавок в процессе приготовления пенобетонной смеси, с учетом процесса взаимодействия компонентов цементного камня с заполнителем принято, что перспективными яв-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ляются способы предварительной раздельной или совместной механической и химической активации поверхности заполнителя глиоксальсодержащими добавками.

При проведении было научно обосновано два технологических приема предварительной активации поверхности кварцево-полевошпатового песка глиоксальсодержащими добавками и введения его в пенобетонную смесь:

– 40% водный раствор глиоксаля предварительно распылением (пульверизатором) наносился на поверхность кварцево-полевошпатового песка с последующим введением в бетоносмеситель.

– сухой кварцево-полевошпатовый песок измельчался в мельнице совместно с глиоксалем кристаллическим. Активация поверхности песка осуществляется за счет одновременной дефор- мации сжатия и сдвига (истирания), а также химического взаимодействия глиоксалевой добавки с поверхностью заполнителя.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При проведении исследований использовалась пенобетонная смесь с подвижностью 11–14 см (диаметр расплыва на приборе Суттарда) и В/Т в отношении смеси, равном 0,5 [8, 9, 25].

Результаты исследования структуры пенобетона, высушенного до постоянной массы, с активированным и неактивированным заполнителем представлены на рис. 2.

В пенобетоне без активированного песка наблюдается перфорация и объединение стенок пор, что способствует развитию процесса седиментации,

Рис. 2. Структура цементного пенобетона. Слева увеличение в 250 раз, справа в 2000 раз: а) без добавок; б) помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,01%

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 2. Структура цементного пенобетона. Слева увеличение в 250 раз, справа в 2000 раз: в) обработка песка 40% водным раствором глиоксаля; г) помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,05%

снижению однородности микроструктуры. Пенобетон с химической и механохимической активацией глиоксалевыми добавками имеет более однородную структуру, поры равномерно заполняют весь объем материала, увеличивается площадь контактов цементной матрицы. Предварительная активация песка способствует формированию стабильной структуры пенобетона с замкнутыми мелкодисперсными порами.

Результаты исследования структуры пенобетона с активированной поверхностью песка приведены в табл. 3.

По результатам исследований установлено, что при механохимической активации песка помолом с глиоксалем кристаллическим средний диаметр пор пенобетона уменьшается с 45,8 до 36,9 мкм, среднее квадратичное отклонение среднего диаметра снижается с 23,6 до 12,1, а содержание условно замкну- тых пор пенобетона увеличилась с 25,6% до 35,8% по сравнению с образцами без добавок. Установлено также, что увеличение полидисперсного распределения пор по размерам соответствует снижению качества пенобетона.

На рис. 3 представлены результаты исследований по определению значений прочности на сжатие и средней плотности образцов пенобетона с песком, активированном глиоксалевыми добавками.

Установлено, что при механохимической активации песка глиоксалем кристаллическим наблюдается увеличение предела прочности на сжатие пенобетона в 28-суточном возрасте на 66%, а при химической активации песка распылением 40% водным раствором глиоксаля – на 42%.

В результате абсорбирования гликсальсодержа-щей добавки на поверхности наиболее тонкоди-

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 3

Пористость образцов пенобетона

Пенобетон с активированным песком	^ я 5 a О	a о я a H я S я я О	я a н я О	о о ^ С	н о 3 ® §*§ ев Ч to S О 5 я	S Ч to в о 5 я	х> я 11 С "
Контрольный	470	45,8	23,6	79,57	21,5	25,57	0,04
Обработка песка 40% раствором глиоксаля	480	40,1	22,5	77,89	15,6	25,17	0,03
Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,01%	480	36,9	12,1	6,99	10,1	35,80	0,03
Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,05	487	39,2	18,9	77,06	13,7	28,80	0,03

Рис. 3. Влияние способа обработки исходных материалов пенобетона глиоксалевой добавкой на его прочност-ные характеристики

сперсных частиц цемента и гидратных новообразований наблюдается повышение прочности теплоизоляционного пенобетона [7, 21, 25]. Поэтому цементный камень контактной зоны и околопорового пространства пенобетона обладает более высокими прочностными характеристиками, чем цементный камень в объеме пенобетона.

Таким образом, при механохимической активации песка с глиоксалем кристаллическим в количестве 0,01% от массы цемента прочность на сжатие пенобетона марки D500 повышается до 1,5 МПа. Положительное влияние активации песка с добавкой на прочность пенобетона объясняется тем, что активированный кварцево-полевошпатовый песок с более высокой удельной поверхностью со временем интенсивнее реализовывает свою реакционную активность, чем немолотый [5, 17].

Данные по однородности параметров качества по средней плотности и прочности при сжатии пенобетона представлены в табл. 4 и 5.

В пенобетоне с механохимически активированным песком с оптимальным содержанием глиоксалевой добавки (0,01%) коэффициент вариации средней плотности пенобетона снизился с 3,4 до 0,54%, а коэффициент вариации прочности при сжатии с 10,5 до 7,1%. При совместном помоле песка с глиоксалем и обработке песка 40% раствором глиоксаля класс пенобетона повысился до В1 при сохранении марки

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 4

Статистическая обработка данных по средней плотности пенобетона

Вид пенобетона	Среднее значение, кг/м3	Марка бетона по средней плотности	Среднее квадратическое отклонение	Коэффициент вариации
Без добавок	470	D500	9,9	3,4
Обработка песка 40% раствором глиоксаля	480	D500	3,3	0,67
Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,01%	480	D500	2,6	0,54
Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,05%	487	D500	4,6	1,30

Таблица 5

Статистическая обработка данных по прочности при сжатии пенобетона

Вид пенобетона Среднее значение, МПа Класс по прочности на сжатие Среднее квадратическое отклонение Коэффициент вариации, % Без добавок 0,9 В0,5 0,055 10,5 Обработка песка 40% раствором глиоксаля 1,28 В1 0,12 9,2 Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,01% 1,5 В1 0,048 7,1 Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,05% 1,0 В1 0,056 7,6 по плотности D500. В соответствии с экспериментальными данными получен пенобетон со средней плотностью от 470 до 487 кг/м3, что соответствует марке D500.

Для составов с максимальными результатами по прочности на сжатие были проведены исследования по влиянию химической и механохими-ческой активации песка глиоксалевыми добавками на пластическую усадку пенобетонной смеси, а также коэффициент теплопроводности пенобетона.

В раннем возрасте, когда смесь еще пластична, испарение свободной воды с поверхности бетона и пластическая усадка являются основными факторами трещинообразования. Измерение пластической усадки осуществлялось в течение 3 часов.

При совместной механохимической активации песка глиоксалем кристаллическим в количестве 0,01% от массы цемента пластическая усадка пенобетонной смеси снижается на 61% по сравнению с контрольным образцом (рис. 4). Причиной более высокой усадки образцов является перфорация стенок и повышенная неоднородность пор.

Снижение усадочных деформаций пенобетона с песком, активированном глиоксалевой добавкой, при естественном твердении позволяет прогнозировать пониженный уровень напряжений при структу-рообразовании и, как следствие, повышенную эксплуатационную надежность изделий, изготовленных из этого материала [2, 16, 25].

На теплоизоляционные свойства пенобетона влияют общий объем, размер и равномерность распределения пор в пенобетоне. По результатам проведенных исследований структуры и средней плотности пенобетон с активированным глиоксалевыми добавками песком обладает более однородной структурой. По результатам испытаний, приведенным в табл. 6, значения коэффициента теплопроводности изменяются в соответствии с маркой по средней плотности пенобетона, что объясняется для пенобетонной матрицы однородностью пористой структуры.

Как следует из табл. 6, наименьшим коэффициентом теплопроводности (0,063 Вт/м•оС) обладает пенобетон на песке, активированном путем совместного помола песка с глиоксалем кристаллическим в количестве 0,01% от массы цемента.

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 4. Пластическая усадка пенобетонной смеси с песком, активированным глиоксалевой добавкой

Таблица 6

Значения коэффициента теплопроводности образцов пенобетона

Вид пенобетона	Коэффициента теплопроводности, Вт/м • оС
	при влажности 25%	в сухом состоянии
Контрольный	0,20	0,10
Обработка песка 40% раствором глиоксаля	0,17	0,08
Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,05%	0,17	0,07
Помол песка с глиоксалем кристаллическим 0,01%	0,16	0,06

Предварительная активация поверхности песка глиоксалевыми добавками позволяет производить цементный пенобетон с улучшенными параметрами качества.

ВЫВОДЫ

• 1.    Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, средний диаметр пор в пенобетоне с песком, предварительно активированном глиоксалем кристаллическим, уменьшается с 45,8 до 36,9 мкм, среднее квадратичное отклонение среднего диаметра снижается с 23,6 до 12,1, а со-

• держание условно замкнутых пор увеличивается с 25,6% до 35,8% по сравнению с образцами без добавок.

• 2.    При предварительном физико-химическом воздействии добавками на поверхность заполнителя при последующем введении его в пенобетонную смесь усадка пенобетона уменьшается на 30–61%.

• 3.    В пенобетонах с глиоксалевыми добавками снижается коэффициент вариации средней плотности пенобетона с 3,4 до 0,6% и прочности при сжатии пенобетона с 10,5 до 7,1%, что позволяет повысить класс пенобетона до В1 при сохранении марки по средней плотности D500.

  

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ