// //
Дом arrow Статьи и публикации arrow Паутов П.А. - Частные оценки характеристик пенобетона
Паутов П.А. - Частные оценки характеристик пенобетона

Частные оценки характеристик пенобетона


П.А. Паутов аспирант. Материалы сайта www.agio.net.ru компании АЖИО

Свойства песка

В качестве заполнителя при производстве пенобетона используется песок. Крупность песка оказывает определенное влияние на свойства пенобетона. В работе проведена оценка зависимости прочности пенобетона (различной плотности) от крупности песка и установлено, что для достижения максимальной прочности пенобетона (при прочих равных условиях) определенное значение имеет использование заполнителя оптимальной крупности в соответствии графиком, представленным на рис. 1.

  Рис. 1.

Паутов П.А. - Частные оценки характеристик пенобетона

Полученные зависимости свойств пенобетона от состава цемента и крупности заполнителя положены в основу производства пенобетона в промышленных условиях, что позволило изготовить пенобетон с высокими параметрами качества средней плотности 300 и 400 кг/м3, в стационарных условиях на ОАО ЗСК-19 и на мобильной установке, и использовать для утепления чердачных помещений и для устройства полов жилых зданий (например пенобетон плотности 300 кг/м3 имел прочность в возрасте 28 суток 17 кг/см2).

Пенобетон плотности от 1000 до 1300 кг/м3 с определенными характеристиками по подвижности использован в качестве кладочного пенораствора, твердение которого осуществляется при положительных и отрицательных температурах.

Положительный суммарный эффект, обеспечивающий твердение пенораствора при отрицательной температуре, достигается использованием жидкости затворения с противоморозной добавкой «Антифриз-ДС» и добавленем в цементно-песчаный раствор извести.

Оценка гидратационной активности минералов портландцемента в присутствии пенообразователя

В качестве испытуемого образца для  оценка гидратационной активности минералов портландцемента в присутствии модифицированной пенообразующей добавки на протеиновой основе изготавливались образцы-кубы с гранью 1 см на основе мономинералов портландцементного клинкера. Пенообразующая добавка вводилась в количествах необходимых для получения пенобетона средней плотности 400, 600, 1000, 1200 кг/м3 (Таблица 1).

Таблица 1

% вводимой ПД

плотность пенобетона, кг/м3

0,17

1200

0,28

1000

0,4

600

0,7

400

Образцы твердели в естественных условиях при температуре выше 15° С в течение 56 суток. Прочность при сжатии контролировали в возрасте 28 и 56 суток и проводили физико-химические исследования камня на основе мономинералов в возрасте 28 суток методами рентгенофазового и дифференциально-термического анализов.

На основании полученных данных физико-химических исследований произвели термодинамические расчеты, которые показали, что все минералы портландцемента с ПД, также как и без нее характеризуются ростом прочности в течение всего анализируемого периода, равного 56 суткам и по данным термодинамического расчета имеют отрицательное значение термодинамического резерва ТР∆G, что является основанием считать, что для всех минералов возможно дальнейшее самопроизвольное протекание реакций гидратации и, соответственно, должно осуществляться упрочнение самотвердеющей системы.
    
     В присутствии пенообразующей добавки наиболее активно вовлекаются в гидратационные процессы силикатсодержащие минералы.
     Для всех мономинералов введение пенообразующей добавки в количестве менее 0,28 мас. % от массы цемента способствует максимальному повышению прочности камня, в основном, превышая значение прочности контрольного образца.

Установлено, что для получения теплоизоляционного пеноматериала с улучшенными параметрами качества, D400–D600, для которого характерно высокое содержание ПД = 0,4–0,6 % от массы цемента, целесообразно использовать портландцемент с пониженным содержанием C3A.
Для конструкционно-теплоизоляционного пеноматериала нормального твердения плотностью от 800 до 1200 кг/м3 допускается использовать портландцемент с повышенным содержанием мономинерала С3А и С4AF.

Оценка влияния среднеалюминатного и высокоалюминатного цементов на основные физико-механические характеристики пенобетона средней плотности

Полученные результаты гидратационной активности минералов портландцемента в присутствии ПД были положены в основу дальнейших исследований.

На следующем этапе исследований произведена оценка влияния среднеалюминатного и высокоалюминатного цементов на основные физико-механические характеристики пенобетона средней плотности от 400 до 1200 кг/м3.

В работе были использованы Пикалевский портланд цемент ПЦ 400 Д 20 с расчетным содержанием алюминатов 5% и высокоалюминатный белый бездобавочный цемент с расчетным содержанием С3А 14–17%.

В соответствии с ГОСТ 310.4-81 произведена оценка гидратационной активности белого и Пикалевского цементов, которая после тепловлажностной обработки имела одинаковое значение, оцениваемое по прочности при сжатии, и составило около 27 МПа.

Прочность пенобетона, приготовленного на рассмотренных цементах, представлена в таблице 2.

Таблица 2

Цемент

Прочность после ТВО, МПа

При изгибе

При сжатии

Плотность, г/см3

 

400

600

800

1000

400

600

800

1000

Пикалевский

9,1

10,1

19,1

23,5

12,4

15,6

44,2

47

Белый

4,2

5,2

9,15

16,4

6,8

8,0

19,6

34,8

Анализ полученных данных показывает, что прочность пенобетона, независимо от плотности, выше на портландцементе Пикалевского объединения «Глинозем», характеризуемого пониженным содержанием алюминатов, но при увеличении плотности пенобетона до величины равной 1000 кг/м3 прочность на белом цементе (с повышенным содержанием алюминатов) приближается к прочности пенобетона на Пикалевском, что согласуется с проведенными термодинамическими исследованиями.

Оценка теплопроводности и водопоглащения

Теплопроводность пенобетона, изготовленного на среднеалюминатном цементе, оценивалась по коэффициенту теплопроводности, определенного на образцах размером 10 х 10 см и высотой до 3 см, высушенных до постоянного веса. Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Средняя плотность
пенобетона, кг/м3

Коэффициент теплопровод-
ности λ, Вт/(м · °С)

Нормируемое
значение λ,
Вт/(м · °С) по
ГОСТ 25485

Цемент

Белый

Пикалевский

D400

0,106

0,074

0,10

D600

0,121

0,091

0,14

D800

0,268

0,226

0,21

D1000

0,304

0,234

0,29

Коэффициент теплопроводности для образцов на основе среднеалюминатного цемента во всем диапазоне рассматриваемых плотностей имеет более низкое значение по сравнению с образцами на высокоалюминатном цементе и характеризуется более низким значением по сравнению с требованиями ГОСТ на ячеистые бетоны

Важной характеристикой для оценки долговечности и коррозионно-защитных свойств бетона по отношению к арматуре является водопоглощение. Экспериментально определено, что водопоглощение пенобетона на среднеалюминатном (сером) цементе примерно в 2 раза ниже, чем на белом, и для средней плотности 1000 кг/м3 не превышает 10 %, что должно обеспечивать достаточную атмосфероустойчивость и долговечность материала.

Методы оценки и управления твердением

Первый этап гидратации вяжущего

       Процессы гидратации цемента и структурообразования в тонких пленках межпоровых перегородок остаются неисследованными. Поэтому следует максимально использовать данные о трехфазной системе на макроуровне для оценочных: представлений о микроуровне системы. В качестве примера в табл. 1 приведет, характеристики цементных суспензий с В/Ц, равным 0,25 (тесто нормальной густоты) 0,6 и 1,2.
       Данные табл. 1 свидетельствуют об информативности и необходимости использования для характеристики пенобетонных смесей объемных соотношений наряд с применяемыми массовыми соотношениями. Величина Vi/V0.25 указывает на незначительное увеличение расстояния между частицами цемента в суспензии при многократном возрастании количества воды с ростом В/Ц от 0,25 до 1,2. Следовательно в технологии пенобетона, особенно теплоизоляционного, не всегда необходимо стремиться к минимальному водосодержанию пенобетонной смеси.

Таблица 1. Объемы и соотношения в суспензии при количестве цемента 340 кг
(марка пенобетона D400)

Отношение
В/Ц

Вода,
 л.

Увеличение количества воды

Объемное содержание воды, V, 
%

Vi/V0.25

Объем воздуха для получения 1м3 пенобетонной смеси, л.

0.25

85

1,0

43.6

1,0

805

0.6

204

2,4

65,0

1.49

686

1,2

408

4.8

78.8

1.8!

482

       Начальный этап гидратации вяжущего в пенобетонной смеси сопоставим с временем начала схватывания цемента в тесте нормальной густоты и продолжается до 1 ч. В этот период протекает ряд процессов, влияющих на свойства пенобетона. Во-первых, в жидкой фазе образуются гидраты AFt-фазы и портландита, которые за счет вые кой дисперсности стабилизируют пористую структуру трехфазной пены. Новообразований, однако, еще недостаточно для формирования структуры межпоровых перегородок, что количественно характеризуется практически не меняющейся величиной пл стической прочности смеси. Во-вторых, за счет образовать в жидкой фазе высокодиперсных гидратных фаз замедляется и практически прекращается процесс коалесценсии, т. е. слияния пор а также процесс возможного выхода воздуха из пенобетонной смеси. В-третьих, как отмечалось выше, возможно водоотделение из пенобетонной смеси. Второй и третий процессы начального этапа гидратации, имеющие коллоида химическую природу и являющиеся негативными, должны быть исключены корректировкой рецептур пенобетонной смеси или регулировкой технологических параметров.
       Пенообразователь, выполнив свою функциональную роль при приготовлении пенобетонной смеси оказывает замедляющее действие на гидратацию цемента.

Паутов П.А. - Частные оценки характеристик пенобетона
Рис. 2 Изменение температуры от времени (мин.) гашения извести при оценке замедления гидратации вяжущего в растворе пенообразователя:
1 - вода без добавок, 2 - раствор нормального пенообразователя; 3 - раствор неудовлетворительного пенообразователя; 4 - раствор допустимого пенообразователя; 5 - раствор предпочтительного пенообразователя

       Апробированы и рекомендуются две методики оценки замедления гидратации вяжущего добавкой пенообразователя. Согласно первой методике, определяют температуру и время гашения извести по п. 2.9 ГОСТ 22688, используя как воду, так и растворы пенообразователя. Концентрация раствора пенообразователя в тесте должна соответствовать соотношению расхода цемента и концентрации пенообразователя при приготовлении пенобетонной смеси. Результаты испытаний удобно представлять графически (рис. 2).
       Согласно другой методике, оценивают величину пластической прочности пенобетонной смеси при погружении в нее конуса. Используется конус от прибора для испытаний подвижности растворов строительных по ГОСТ 5802 или конус других размеров с углом при вершине 30°, Результаты испытаний представляют графически в координатах "глубина погружения конуса, мм - время, мин". Глубина погружения конуса является косвенной характеристикой величины пластической прочности пенобетонной смеси. Результаты таких испытаний необходимы при намерениях изменить вид применяемого пенообразователя. Кроме того, они полезны специалистам по производству пенобетона при принятии других технологических решений и для оценки уровня производства.
        Необходимо отметить, что классические методы испытании пенообразователей в двухфазной системе Ж-Г (кратность пены, ее стойкость и др.) не всегда адекватно отражают роль пенообразователя в трехфазной системе Т-Ж-Г (пенобетонной смеси). Поэтому требуется разработка нормативных документов на пенобетонные смеси, в которых целесообразно предусмотреть контроль показателей, обусловленных введением добавки пенообразователя. К числу таких показателей следует отнести кратность трехфазной пены, вид пористой структуры пенобетонной смеси и кинетику гидратации вяжущего в растворе пенообразователя.

Второй этап гидратации вяжущего

       Второй этап процесса гидратации цемента в пенобетоне характеризуется активным ростом пластической прочности в пенобетонной смеси со стабилизированной структурой и максимальным тепловыделением при твердении цемента. Симметрия экстремума на кривой скорости тепловыделения гидрагирующегося цемента является временной границей этапа, которая принята равной 16 ч для теста типичного портландцемента по X. Тейлору.
       Управляя физико-химическими процессами гидратации, протекающими в системе поризованной суспензии твердеющего цемента, можно достичь оптимальных технологических режимов производства и получить пенобетон с заданными свойствами. Основная технологическая задача рассматриваемого этапа состоит в назначении режима твердения пенобетона для обеспечения распалубочной прочности пенобетонного массива или изделий и резки массива.
       Твердение пенобетона в кассетных металлических формах при размерах изделий по ГОСТ 21520, не изолированных от окружающей среды, сопровождается "рассеиванием" в окружающую среду тепловой энергии, выделяемой при гидратации цемента.Совершенно иная ситуация имеет место тогда, когда пенобетон твердеет в массиве объемом свыше 0,5 м3 или кассетные металлические формы с пенобетонной смесью теплоизолируются. В этом случае наблюдается саморазогрев пенобетона за счет экзотермических реакций гидратации цемента с водой.
       Роль тепловыделения при гидратации цемента в обычном тяжелом бетоне, твердеющем при отрицательных температурах, или в массивных гидротехнических сооружениях, или при тепловлажностной обработке рассматривали С.А. Миронов, Л.А. Малинина и другие ученые. Убедительные результаты о значимости тепловыделения для не автоклавного поробетона (ячеистого цементного газобетона) приводит Г.П. Сахаров. Начальная температура массива составляла 33°С, после вспучивания - 42°С, в момент резки струнами на блоки - уже 52°С, а через 4 ч достигла 97...99°С. Дальнейшее изменение температуры в массиве зависит от условий теплообмена с внешней средой. По Г. П. Сахарову, рассмотренный процесс целесообразно назвать "тепловой самообработкой" цементного поробетона.
       Результатов исследований экзотермии в пенобетоне и практического опыта еще недостаточно для рационального использования эффекта тепловой самообработки и обоснования режимов твердения изделий из пенобетона. Следует полагать, что этот вопрос в технологии пенобетона должен рассматриваться как необходимость ускорения структурообразования в пенобетонных изделиях или массиве, так и возможность деструктивных явлений за счет внутренних напряжений.
       Тепловыделение оказывает положительное влияние на кинетику твердения цемента в пенобетоне и поддается качественным и количественным оценкам на основе имеющихся в литературе данных. Представляется, что классическая тепловлажностная обработка пенобетона является нецелесообразной, прежде всего, исходя из экономических соображений. Поддержание заданного температурного режима в окружающей среде на стадии формирования структуры цементного камня в пенобетоне является обязательным условием. Это связано с тем, что в изделиях или массиве за счет тепловой самообработки развиваются сложные и неоднозначные деформации, на которые накладываются деформации от комплекса других явлений (химическая контракция, влажностная усадка и др.). Поэтому на раннем этапе твердения цемента следует устанавливать такие условия, при которых в массиве или изделиях будут обеспечены минимальные градиенты температуры и влажности, а в формирующейся структуре межпоровых перегородок - минимальные напряжения.

Заключительные этапы гидратации вяжущего

       Третий этап процесса твердения цемента в пенобетоне не имеет четкой временной границы и определяется моментом отгрузки изделий потребителю, а для монолитного пенобетона-углом наклона касательной на кинетической кривой скорости изменения величины прочности). Завершение этапа характеризуется тем, что пенобетон за счет гидратации цемента приобретает физические и механические свойства, установленные техническими требованиями к ячеистому бетону по ГОСТ 25485.
       Процесс твердения цемента в пенобетоне на четвертом этапе протекает во временном промежутке от момента отгрузки пенобетонных изделий с предприятия до момента обустройства из них конструкций, зданий или сооружений. Влажность пенобетона, интенсивность удаления влаги и изменение влажности глубинных слоев пенобетона являются основными показателями, от которых в непрогнозируемых условиях окружающей среды на третьем и четвертом этапах твердения зависит влажностная усадка ячеистого цементного бетона. Развитие усадки связано не только с изменением влажности пенобетона, но и с начинающейся карбонизацией новообразований цементного камня, что впервые для ячеистых бетонов рассмотрено Е.С. Силаенковым.
       Пятый, завершающий этап твердения поризованного цементного камня характеризуется воздействием на него эксплуатационных факторов, среди которых, прежде всего, следует выделить продолжающуюся карбонизацию гидратных новообразований. Усадка, отнесенная к 1% влаги, теряемой пенобетоном после
карбонизации, по данным Е.С. Силаенкова, на порядок превосходит аналогичное значение усадки такого же пенобетона до карбонизации. Кроме того, на размер усадки существенно влияет величина средней плотности пенобетона и структура цементного камня межпоровых перегородок.

Исследования влияния состава и качества компонентов бетонной смеси на процессы твердения

 Существующие представления о пенобетоне могут принципиально измениться, при развитии теории и практическом освоении производства пенобетона на основе специальных цементов. В литературе есть упоминания о возможности использования в технологии пенобетона алюминатных и сульфоалюминатных цементов. Однако такие цементы имеют ограниченное распространение и высокую стоимость, что ставит под сомнение эффективность их применения даже как добавок в пенобетон. Кроме того, возникают другие ограничивающие обстоятельства. Так, изготовление опытных партий пенобетонных плит на глиноземистом цементе ГЦ-40 не только не дало положительного результата, но вообще оказалось невозможным из-за геленитового состава цемента.
При нормировании состава и технических требований к "пенобетонному" цементу должны быть учтены особенности его твердения, в результате которого происходит формирование структуры пенобетонной смеси и свойств пенобетона, а также обеспечивается эксплуатационная надежность пенобетонных изделий и конструкций.
Выполненные к настоящему времени исследования и опытно-промышленные испытания дают основания надеяться, что отечественные предприятия должны освоить производство и применение как минимум двух видов специальных цементов для пенобетона: микроцемента (МЦ) и быстротвердеющего клинкерного вяжущего (БКВ).
МЦ - это вяжущее, аналогичное по составу общестроительному цементу по ГОСТ 10178. но имеющее удельную поверхность от 800 до 1100 м2/кг. Размер частиц цемента ограничен величиной 50 мкм. Результаты интегрального и дифференциального распределения частиц по размерам для одной из опытно-промышленных партий МЦ приведены на рис. 3.

Паутов П.А. - Частные оценки характеристик пенобетона
Рис. 3 Дифференциальное и интегральное распределение частиц цемента по размерам

 

 

 

 

 

 

 

 

       Вяжущее с удельной поверхностью 650 м2/кг не следует относить к МЦ, так как эффект от его применения несопоставим с МЦ при удельной поверхности вяжущего более 800 м2/кг. Гранулометрию, близкую к высокодисперсному МЦ, можно получить простым способом из ПЦ 500-ДО фракционированием седиментацией. Поэтому уже сегодня производители пенобетона при необходимости могут иметь суспензию МЦ, изготовленную из общестроительного цемента в условиях своего производства.
       Высокодисперсные цементы позволяют при любом промышленном способе приготовления пенобетонной смеси стабильно получать пенобетон марки D300, а с использованием рациональных технологических решений и оборудования производить монолитный теплоизоляционный пенобетон и изделия марки D150. Кроме того, добавка порошка или суспензии высокодисперсного цемента в смеси конструкционно-теплоизоляционного пенобетона марок от D500 до D700 стабилизирует структуру пенобетонной смеси на начальном этапе гидратации, ускоряет процесс твердения цемента и повышает прочность пенобетона.
       Теплоизоляционный пенобетон имеет не только рыночную ценность, но и представляет несомненный интерес как объект исследований и дальнейшего совершенствования. Пенобетон марки D150, изготовленный на основе МЦ, уже через 3 месяца твердения в атмосферных условиях подвергается полной карбонизации (табл. 2) с преобразованием гидратных фаз в кальцит. В пенобетонах марок от 350 кг/м" до 150 кг/м3 взаимосвязь показателей физических и механических свойств может отличаться от общепринятых представлений. Это обусловлено тем, что существенную роль начинает играть не столько объем пор, сколько их размер, а также структура цементного камня межпоровых перегородок, сформировавшаяся в процессе твердения цемента.

Таблица 2. Дифракционная характеристика карбонизированного цементного камня на основе МЦ

№ п/п

Двойной угол, град.

Площадь отражения,
относ. ед.

Полуширина отражения,
относ. ед.

Межплоскостное расстояние,
Е

Интенсив­ность отражения,
 %

1

23,00

67

0,35

3,867

8.4

2

24.88

43

0,37

3.573

5.0

3

26,22

24

0,26

3.401

4.0

4

27.04

55

оде

3,297

8.7

5

29,32

672

0,30

3,046

100.0

6

31,25

50

0,46

2,863

4.7

7

32,76

52

0,35

2,730

6.6

8

35,96

119

0,39

2.500

13.3

9

39,38

145

0,36

2.287

17.9

10

43,15

143

0,39

2.096

16.2

11

47,36

226

0,63

1.918

18.2

       Цементный камень, образовавшийся при твердении общестроительного цемента и особенно МЦ, характеризуется сложным напряженным состоянием, которое может привести к возникновению и развитию микротрещин. Деформации цементного камня в межпоровых перегородках зависят от многих факторов и являются неадекватными. Поэтому любое технологическое решение, принимаемое при производстве пенобетона, необходимо рассматривать с позиции его влияния на величину усадочных деформаций. Известно, что одним из решений по снижению величины усадки пенобетона является использование в рецептуре наполнителей. Обоснованные требования к виду и характеристикам наполнителя для пенобетона отсутствуют, однако проблема наполнителей не менее важна, чем вопрос о специальных вяжущих для пенобетона.
       БКВ - это безгипсовый цемент, получаемый помолом клинкера с добавками. Высокая эффективность безгипсовых составов вяжущих показана в работах киевской и львовской школ. Испытания опытно-промышлеиной партии БКВ при производстве конструкционно-теплоизоляционного пенобетона показали, что формирование структуры в пенобетонной смеси начинается через 5-15 мин с момента смешения вяжущего и воды. Смесь уже в процессе приготовления может начать разогреваться, поэтому-важным моментом является выбор рецептуры добавок в клинкерном вяжущем. Распалубку блоков, их переноску захватом, а также моделирование резки струнами массива проводили через 45-60 мин. При температуре в цехе ниже 10°С температура внутри блоков была41°С. Величина средней плотности пенобетона составила 750 кг/м3, прочность на сжатие - 3,9 МПа.
       Таким образом, рассматривая функциональную роль ингредиентов пенобетонной смеси, вяжущее следует поставить на второе место по значимости после пенообразователя. Специфика структуры и свойств пенобетона предопределяет необходимость формулирования технических требований и разработку нормативных документов на вяжущее для производства пенобетона. В настоящее время при изготовлении пенобетона преимущественно используют бездобавочный портландцемент марки 500. Пенобетонные смеси на обще строительном портландцементе склонны к расслоению и имеют длительный индукционный период гидратации, а получаемый пенобетон характеризуется низкой величиной коэффициента конструктивного качества. Указанные недостатки устранимы за счет применения наполнителей и химических добавок, которые одновременно должны снижать влажностную и карбонизационную усадку пенобетона.

 

Контакты

115419, г. Москва, ул. Шаболовка, д. 34, стр. 3.



Просьба заранее предупредить о приезде, т.к. специалисты распределены по объектам




info@masterbetonov.ru




ООО «Стройсервис» работает на рынке строительного производства c 1992 года.
Основной ценностью для нашей компании являются клиенты, поскольку единственный реальный актив компании — это люди, удовлетворенные нашей работой, которые еще раз захотят воспользоваться нашими услугами. Мы стремимся сделать своих клиентов своими партнерами.