Содержание
| Одной из важнейших задач повышения теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций зданий, снижения их массы и экономии материальных ресурсов является производство легких строительных материалов и изделий. К числу таких эффективных материалов относятся материалы и изделия из ячеистого бетона, в т. ч. пенобетона безавтоклавного твердения.
Результаты исследований и анализ литературы [1, 2 и др.] показали, что характер структурного строения и технологические свойства пены меняются вместе с увеличением кратности ее объема ( табл. 1).
Таблица 1. Технологические характеристики пен.
| Наименование показателя
| Технологические характеристики пены при кратности
| | 2
| 3
| 4
| 6
| 8
| 10
| 12
| | Плотность, г/см3
| 0,5
| 0,33
| 0,25
| 0,166
| 0,125
| 0,1
| 0,083
| | Консистенция
| текучая
| текучая
| текучая
| литьевая
| полужесткая
| жесткая
| жесткая
| | Подвижность, см
| 37
| 30
| 25
| 15
| 8
| 0
| 0
| | Объем воздушной фазы, %
| 50
| 67
| 75
| 83,33
| 87,5
| 90
| 91,66
| | Изменение объема пены при минерализации сухим порошком вяжущего (В/Т - 0,5), %
| 91
| 94
| 92
| 84
| 70
| 62
| 58
| |
При этом условно формируются три основные типа пеноструктуры: первый – низкократные пены (кратность 2—4) отличаются низким расходом пенообразователя, а также сферической формой пор, отсутствием жесткого структурного каркаса и текучестью, обусловленной наличием свободной жидкой фазы, не перешедшей в адсорбционные слои. Истечение последней (синерезис) определяет нестабильность этих пен после при готовления, поэтому они не находили практического применения. Однако именно наличие свободной жидкой фазы позволило разработать техноло гический способ стабилизации пеноструктур и приготовления на их основе пенобетонных материалов, названный методом сухой минерализации пены [3].
Внутриструктурная подвижность низкократных пен, повышенная плотность и наличие свобод ной жидкой фазы в виде толстых пле нок вокруг мелких сферических пор обусловливает устойчивость воздуш ного пузырька и в целом пены при су хой минерализации в условиях пониженного В/Т < 0,5. Это позволяет максимально сокра тить цикл приготовления смеси, использовать непрерывные пенобетоносмесители, цементные и быстротвердеющие гипсовые вяжущие, а также применить кратковременную вибрацию на стадии приго товления и формования пеномассы для повышения устойчивости пены при минерализации и снижения В/Т (а. с. № 000, № 000). Кроме того, низкий расход пенообразователей - синтетических ПАВ (0,2-0,4% от массы воды) уменьшает их за медляющее действие на нарастание прочности пенобетона.
Важным фактором является использование простого оборудования и его несложное обслуживание. Пену с последующей сухой мине рализацией вяжущим можно готовить в одном высокоскоростном турбулентном смесителе. С незначительным изменением тот же смеситель используют для приготовления пеномассы в непрерывном режиме посте пенным совмещением сухих компо нентов с низкократной пеной, непрерывно подаваемой пеногенератором. При необходимости смеситель снабжается пневматической или гидравлической системой перекачивания пенобетонной смеси к месту укладки.
Минерализация низкократной пены сухим вяжущим приводит к фиксации основных характеристик ее структуры: объема вовлеченного воздуха, характера упаковки и формы пор. Поэтому в основу направленного регулирования плот ности, структуры, прочности и других свойств пенобетона сухой минерализации положен подбор кратности пены с учетом частичного ее га шения, структурного строения и степени минерализации (В/Т).
При кратности пены 4 объем вовлеченного воздуха составляет около 75%, что соответствует теоретическому пределу упаковки соприка сающихся сферических пор одина кового размера. Следовательно, структура пены и пенобетонной смеси на ее основе с кратностью менее 4 (пеноструктуры эмульсионного типа) при любом размере пузырьков образуется из сферических пор, раз деленных жидкими прослойками. Подбором режима смесителя, пеногенератора, вида и расхода пенообразователя можно формировать как полидисперсную, так и монодисперсную структуру пены.
Следовательно, этот тип низкократной пены является лучшей основой для получения конструкционных и теплоизоляцион ных пенобетон ных материалов, характеризующихся средней плотностью 600-900 кг/м3 при В/Т = 0,5-0,4 с замкнутой мелкопористой структурой. Пены этой кратности имеют более толстые перегородки, особенно в межузлиях, где их толщи на повышается в несколько раз и характеризуется повышенной внутриструктурной подвижностью. Благодаря такой структуре в процессе перемешивания зерна песка и крупные частицы вяжущего вытесняются и закрепляются в центре межузлий, что позволяет вести бездефектную минерализацию пены с использованием смеси немолотого песка с вяжущим. По предложенной технологической схеме с использованием немолотого барханного песка изготовлялись пенобетоны в России и в некоторых странах Ближнего Востока [4].
Низкократные пены и смеси на их основе с кратностью выше 4 характеризуют ся полифракционной пористой сферической структурой с возрастаю щим количеством соприкасающихся пор по мере роста кратности.
Тео ретическому пределу плотной упаковки такой структуры соответству ет пористость около 83% и крат ность 6. Пенобетонные материалы сухой минерализации после отверждения приобретают открытую пористость за счет образования точечных отверстий в зоне соприкосновения сферичес ких пузырьков пены. В этой зоне происходит минерализация из-за несоизмеримости по толщине пленок пены с час тицами вяжущего. Минимальный размер точечных отверстий почти не влияет на прочностные характерис тики материала. Результаты акусти ческих исследований НИИСФ, показали, что наличие открытой, сквозной полифракционной порис тости придает этому виду пенобето на с плотностью 300—450 кг/м3 высокие звукопоглощающие свойст ва в широком диапазоне частот. Этот вид пенобетона стал основой для разработ ки технологии пеногипсовых отде лочных звукопоглощающих плит с плотностью 350-400 кг/м3 и прочностью 0,9 МПа [5]. Для повышения прочности этих изделий при изгибе и усиления акустических свойств в состав материала введен армирующий компонент в виде волокон и добавка водорастворимого полиме ра для улучшения адгезии волокна к матрице и снижения хрупкости материала.
Пены кратностью 9-14 имеют объем воздушной фазы 89-93% и при В/Т = 0,5—0,6 на обычном портландцементе могут служить основой для получения особо легких (150-250 кг/м3 ) пенобетонных теп лоизоляционных материалов.
Однако увеличение воздушной фазы в пе нах с кратностью выше 6 (с переходной формой структуры и высокократные) приводит к постепенному ухудшению их техно логических свойств за счет перест ройки структуры в плотную и жесткую "упаковку" частично деформиро ванных сферических пузырьков с множеством тончайших пленок по вышенной площади в зонах сопри косновения пор. Особенно заметны эти изменения при кратнос ти выше 9. Пониженная подвиж ность, ограниченный объем жидкой фазы и наличие тончайших кон тактных пленок определяют повышенную склонность этих пен к не регулируемому разрушению при сухой минерализации и неэффективность применения минерализации при вибротехнологии.
Значительным повышением В/Т>0,7 можно у странить указанные недостат ки, но это снизит прочность и качество материала. Можно также применить сухие минерализующие композиции пониженной смачивае мости и водопотребности, например ВНВ (ЦНВ) или КГВ. Однако пенобетон низкой плотнос ти в обоих случаях будет иметь неоднород ную ячеистую структуру с множеством увеличенных контактных капилляров и, следовательно, низкую прочность и теплопроводность. Попыт ка совместить эти пены с раствором вяжущего приводит к дальнейшему повышению В/Т.
Исходя из вышеизложенного, нецелесообраз но при менение высокократных пен (с крат ностью 15 и более) для метода сухой минерализации. Они представляют собой про странственную ячеисто-пленочную структуру, состоящую из пор-многогранников, связанных между собой в общий каркас разделительными тонкими плоскими пленками. В отличие от низко кратных пен в них практически отсут ствует свободная жидкая фаза. Они имеют жесткое строение и проявляют стабильность после приготовления за счет отсутствия синерезиса в определенном промежутке времени.
Использование пен с такими структурно-технологическими ха рактеристиками для поризации строительных материалов возмож но при их совмещении с водным рас твором вяжущего. Эта схема и ле жит в основе традиционной технологии пенобетона. При этом ре гулирование средней плотности пенобетона достигается не изменением кратности пены, а подбором соотношения объемов пены (воздушной фазы) задан ной кратности (обычно кратностью 15—20) и раствора вяжущего. В этой схеме изначально заложена необходимость расчленения на отдельные пузырьки и трансформации высокократной пены в пенобетонную смесь с более низкой кратностью (кратность 2-10 в зависимости от заданной плотности материала) в процессе перемешивания. При получении пенобетона пониженной плотности это приводит к разрушению значительной части хрупкой высокократной пены, к снижению структурных и качественных характеристик.
Таким образом, проведенные исследования показали, что технологические методы пенной пориза ции строительных материалов, ос нованные на совмещении пены с вяжущим в виде сухого порошка или строительного раствора в усло виях атмосферного давления, не обеспечивают получения пенобетона низкой плотности (менее 500 кг/м3 ) с замкнутой ячеистой пористостью и пониженным В/Т.
В МИСИ им. (ныне МГСУ) был разработан метод получения пенобетона низкой плотности, названный «обжатие-релаксация» (а. с. № 000, № 000).
Принципиальное отличие метода заключается в том, что весь процесс приготовления пенобетона производится при обжатии пены и пенобетонной смеси. Затем осуществляют релаксацию объема обжатой пенобетонной смеси до исходного за счет плавного снятия обжимающего усилия и выравнивания избыточного давления внутри смеси до атмосферного.
Важнейшим фактором является то, что технологический принцип, заложенный в основу метода, позволяет применять его и для транспортировки пенобетонных масс, совмещая процесс приготовления пеномассы на стадии обжатия с перекачиванием к месту укладки по трубопроводу. В процессе перекачивания пеномассы происходит самопроизвольная релаксация ее объема. В условиях строительной площадки это упрощает и делает более рациональной технологическую схему производства и укладки пенобетона, особенно при изготовлении монолитных пенобетонных конструкций.
В процессе обжатия происходит искусственное снижение объемной начальной кратности пеноструктуры в результате сжатия воздушных пор и увеличения доли жидкой фазы в уменьшенном объеме.
Обжатие пеноструктур высокой кратности и с переходной формой структуры (кратность более 6-15) до искусственной кратности ниже 6-4 приводит к качественным изменениям их структурных и технологических характеристик. Формируется пеноструктура, состоящая из взаимоудаленных мелких сферических пор, находящихся под избыточным давлением и разделенных сравнительно толстыми жидкими перегородками. Следовательно, исходная пеноструктура после обжатия лишается жесткого структурного каркаса и приобретает внутриструктурную подвижность. Это способствует упрочнению воздушных пузырьков, повышению удобообрабатываемости и устойчивости пеноструктур в процессе интенсивной минерализации, гомогенизации и перекачивания пеномассы.
Кроме того, поризация под избыточным давлением по «сухой» или традиционной схеме за счет искусственного снижения кратности пеноструктуры позволяет увеличить коэффициент использования пены, сократить продолжительность приготовления пенобетонной смеси, использовать смеситель непрерывного действия, снизить В/Т, подавать готовую смесь к месту укладки, а после восстановления исходного объема пеномассы получить однородный легкий пенобетон с заданной кратностью объема (более 6-8) с минимальной дефектностью замкнутой ячеистой структуры, высокими теплофизическими и прочностными характеристиками.
Исследованиями ус тановлены зависимости между основными технологи ческими параметрами приготовления пенобетонных смесей при избыточном давлении и получаемыми характеристиками пенобетона [6]. Получены матема тические выражения, отражающие взаимосвязь структурных параметров, подбором которых достигается направленное регулирование толщины прослоек со прикосновения соседних пузырьков ( D ) и создание условий для устранения жесткости пеноструктур разной кратности и обеспечения соизмеримости толщины прослоек с частицами вяжущего, обусловливающих создание оптимальных техно логических условий для получения качественных пенобетон ных масс. Этими параметрами являются радиус воздушных пузырьков до обжатия (ro), кратность пеноструктуры (пенобетонной смеси) до (кo ) и после обжатия (к):
Этим же способом можно обрабатывать пеномассы, полученные традиционными способами, особенно при низких В/Т. В табл. 2 приведены некоторые характеристики пенобетонов, полученных по различным технологиям.
Таблица 2. Характеристики пенобетонов
| Технология приготовления пенобетона
| В/Т
| Диапазон времени гомогенизации (с сохранением данной плотности при традиционной технологии), с
| Свойства пенобетона, р = 350 кг/м3
| | Средний диаметр пор, мм
| Среднее квадратичное отклонение
| Прочность при сжатии, МПа
| | Традиционная двухстадийная
| 0,8
| 30-90
| 0,32
| 4,3
| 0,42
| | То же, но с обжатием-релаксацией
| 0,8
| 10-20
| 0,3
| 4,1
| 0,46
| | Традиционная двухстадийная
| 0,6
| 45-120
| 0,28
| 5,2
| 0,54
| | То же, но с обжатием-релаксацией
| 0,6
| 10-45
| 0,25
| 4,3
| 0,63
| | Традиционная двухстадийная
| 0,5
| 0-15
| 0,3
| 7,3
| 0,38
| | То же, но с обжатием-релаксацией
| 0,5
| 10-60
| 0,22
| 4,6
| 0,7
| |
В циклическом режиме для метода «обжатие - релаксация» используются смесители-пневмонагнетатели, а в непрерывном режиме — малогабаритные поризато ры гидронагнетательного типа (7).
Эти агрегаты совмещают приготов ление пенобетонных масс в обжа том состоянии (этап «обжатия») и их последующую подачу шлангом к месту укладки. В про цессе перекачивания и формования происходит самопроизвольная плавная релаксация пе номассы до заданной кратности (этап «релаксации»).
На основании исследований и разработок последних лет с участием Деал» и РУП «Волковыс ский завод КСОМ» налажено производство оборудования, работающего в непрерывном режиме с использова нием запатентованного поризато ра гидронагнетательного типа [8].
Начато производство мелко штучных стеновых блоков плотностью 450 кг/м3 по резательной технологии и моно литной теплоизоляции с плот ностью 200—350 кг/м3. Организован выпуск особо легких теплоизоляционных пе нобетонных плит плотностью 180-250 кг/м3 .
В табл. 3 приведены физико-механические характеристики монолитного теплоизоляционного пенобетона базового состава на основе портландцемента марки М500 и синтетических и белковых пенообразователей.
Таблица 3. Физико-механические свойства пенобетона, получаемого
на промышленной установке
| Плотность, кг/м3
| Прочность на сжатии, МПа
| Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, Вт/м 0 С
| Паропроницаемость, мг/(м*ч*Па)
| 165-172
| 0,15
| 0,05
| 0,35
| 187-214
| 0,2
| 0,055
| 0,3
| 240-264
| 0,3
| 0,064
| 0,28
| 308-323
| 0,7
| 0,07
| 0,26
|
Низкая себестоимость, доступность сырья, высокие теплофизические свойства, достаточная прочность и возможность ее повышения добавками, технологическая мобильность делают пенобетон конкуренто способным по сравнению с другими теплоизоляционными материалами (минераловатными плитами, пенопо листиролбетоном, пористыми поли мерами и др.), используемыми для изготовления много слойных ограждающих конструкций, теплоизоляции стен, чердаков, подвалов, крыш и др.
Список литературы:
1. Тихомиров . Теория и практика их получения и разру шения. М.: Химия, 1983.
2. , Кобидзе бенности структуры и основы технологии получения эффек тивных пенобетонных материа лов « Строительные материалы», 1988, № 3, стр 16-18.
3. А. с. № 000, 1982. Способ приготов ления пеномассы. , ,
4. Меркин бетоны: научные и практические пред посылки дальнейшего развития « Строительные материалы», 1995, № 2, стр. 11-15.
5. , , Ко бидзе гипсовых вяжущих в технологии отделоч ных материалов «Строительные мате риалы и конструкции», Киев, 1985, № 1, стр. 5-6.
6. , , . Получение низ коплотного пенобетона для производства изделий и монолитно го бетонирования «Строительные ма териалы», 2004, № 10, стр. 56-58.
7. , , Зудя ев Е. А. «В стационарном и мо бильном вариантах (о технологии и оборудовании для производства монолитного пенобетона)» «Механизация стро ительства», 1990, № 10, стр. 7-9.
8. Патент РФ № 000; Патент РФ № 000. 1997. Устройство для аэрации строительного раство ра. , ,
Источник: Сборник научных трудов (к 50-летию института). М.: ГУП «НИИМОССТРОЙ», 2006, 149 с.
|
