Пенобетон для ограждающих конструкций с повышенной стабильностью параметров качества
На правах рукописи
КИСЕЛЕВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ПЕНОБЕТОН ДЛЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОВЫШЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА
05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск - 2005
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Кудяков Александр Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Павленко Станислав Иванович
кандидат технических наук, доцент
Подласова Ирина Анатольевна
Ведущая организация - Новосибирский Государственный архитектурно-строительный
университет
Защита состоится 27 декабря 2005 г. в 14.00 час на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, Томск, Соляная пл., 2, корп. 5, ауд. 307. Тел. (8.3822) 65-42-61
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан "___" ноября 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Скрипникова Н.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. С вводом в действие нормативов по теплозащите зданий (СНиП 23-02-2003), приближающих термическое сопротивление ограждающих конструкций зданий в России к нормам Европейских стран, актуальной стала проблема разработки и использования эффективных теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов из местного сырья, отвечающих современным установленным и потребительским требованиям (параметрам качества) на рынке. Одним из перспективных материалов является неавтоклавный пенобетон. Используя современные пенообразователи, управляя соотношением компонентов в смеси и технологическими приемами приготовления и формования изделий (в заводских условиях и на строительной площадке), можно получать пенобетоны в широком интервале средней плотности (от 300 до 1200 кг/м3), обладающие при требуемой прочности и долговечности (морозостойкости), низкими коэффициентом теплопроводности и стоимостью. Большим преимуществом пенобетона является возможность использования местного сырья.
Пенобетон в настоящее время получил свое второе рождение. Разрабатываются новые эффективные пенообразователи, структурообразующие добавки, технологические схемы, установки смесительные и генерирующие пену. Изменились требования к проведению технологических процессов и конечным параметрам качества продукции. С учетом необходимости повышения конкурентной способности пенобетонных конструкций необходимо, прежде всего, повысить стабильность основных характеристик материала. Анализ имеющихся данных испытаний промышленной продукции показывает, что стабильность (показатель изменчивости) по прочности на сжатие и средней плотности находится в пределах 15 – 25 %. Очевидно, что на сегодняшний день первоочередного решения требуют проблемы по совершенствованию составов и технологических процессов получения пенобетона. Совершенствованием одного технологического процесса не решить проблему стабильности параметров качества пенобетона. Необходим системный подход. Учитывая ориентацию Росстроя России на повышение качества в строительстве путем разработки и использования систем менеджмента качества по ГОСТ Р ИСО 9001-2001 (приказ №190 Росстроя России от 13.07.2005) технологические задачи по повышению стабильности качества пенобетона необходимо решать в рамках всего цикла жизнедеятельности продукции. Результаты исследований с такой постановкой задачи отсутствуют, что вызывает трудности при получении пенобетона с заданными свойствами. Актуальность выполняемой работы определяется необходимостью совершенствования технологии пенобетона по критерию повышения стабильности параметров качества продукции с использованием системной последовательности цикла жизнедеятельности продукции.
Работа выполнялась в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»:
- подпрограмма «Межотраслевая программа сотрудничества Министерства образования Р.Ф. и Федеральной службы специального строительства Российской Федерации 2004-2005 гг.»;
- подпрограмма №211 «Архитектура и строительство» 2001-2002 гг., тема 02.04.054;
- гранту №12.2-833 «Разработка материалов для многослойных теплоэффективных конструкций из природного сырья и отходов промышленности применительно к условиям Западно-Сибирского региона».
Объект исследования – пенообразующие добавки и пенобетон на цементном вяжущем.
Предмет исследования – закономерности образования пены и пористой структуры пенобетона, влияние различных факторов на повышение стабильности параметров качества пенобетона.
Целью работы является разработка научно-обоснованных составов и технологических приемов получения пенобетонов с повышенной стабильностью параметров качества на минеральном сырье Западносибирского региона.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
- исследовать пенообразующую способность и стабильность различных пенообразующих добавок, а также их влияние на процессы структурообразования цементного камня;
- исследовать закономерности формирования пористой структуры пенобетона;
- исследовать влияние добавок (ускорителей твердения и пластификаторов) и технологических приемов на параметры качества пенобетона и их стабильность;
- разработать метод расчета состава пенобетона с использованием ЭВМ;
- разработать технологию производства пенобетонов в заводских условиях, в условиях строительной площадки и провести опытно-промышленные испытания и внедрение результатов работы.
Научная новизна работы состоит в установлении закономерностей повышения уровня и стабильности параметров качества пенобетона. При этом установлено:
- для пен средней кратности (5-10) размер пор и их расположение в объеме (упаковка), полученные в процессе пенообразования, практически не изменяются в смесителе при объединении с минерализаторами с удельной поверхностью 200 – 300 м2/кг (цемент, наполнители) при водотвердом отношении смеси 0,60 – 0,65, что позволяет управлять процессом формирования поровой структуры пенобетона на стадии получения пены и ее смешивания с другими компонентами;
- наибольшая стойкость и кратность пены обеспечивается при генерировании пор двух уровней по размеру: первый – 0,5 – 1,0 мм, а второй в 4 и более раза меньше, что позволяет повысить однородность поровой структуры и снизить показатель изменчивости по средней плотности до 2,2, а по прочности до 5,1.
- между наибольшим размером зерен заполнителя и проектируемой (требуемой) средней плотностью пенобетона (при достижении его максимальной прочности) установлена связь, что позволило разработать методику выбора заполнителя при проектировании состава пенобетона и технологию обогащения песка для его использования в технологии пенобетона.
Личный вклад автора состоит в получении экспериментальных результатов, изложенных в диссертационной работе, (не менее 70%), их анализе и обобщении. Роль научного руководителя заключалась к постановке вопросов, участию в обсуждении и анализе полученных научных результатов.
На защиту выносятся: совокупность установленных закономерностей по формированию поровой структуры и стабильности параметров качества пенобетона путем подбора его состава и использования научно-обоснованных технологических приемов, а именно:
- процессы повышения стабильности свойств пенобетона;
- критерии оценки эффективности пенообразующих добавок, результаты экспериментальных исследований по влиянию пенообразующих добавок на свойства цементного камня;
- результаты экспериментальных исследований по влиянию удельной поверхности минеральной составляющей, а также химических добавок на свойства пенобетона;
- способ подбора и составы пенобетона на основе местного минерального сырья;
- результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения результатов работы.
Достоверность результатов и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом.
Реализация работы:
Результаты исследований получили проверку при опытно-промышленных испытаниях и внедрении. На основе разработанных составов и технологических регламентов налажен выпуск неавтоклавного пенобетона в организациях: ОАО «ССМ» п. Копылово, ООО «Консенсус» г. Томск, ООО «СПК» г. Ханты-Мансийск, ООО «Бетта» г. Томск, ООО «Пенобетон-Сервис» г. Томск.
Разработаны 4 технологических регламента на производство неавтоклавного пенобетона различной плотности, с использованием отечественных синтетических пенообразователей:
- на производство монолитного пенобетона в ООО «Пенобетон-Сервис»;
- на производство изделий из неавтоклавного пенобетона на производственных площадях ООО «Консенсус»;
- на производство теплоизоляционных изделий из неавтоклавного пенобетона на производственных площадях ОАО «ССМ»;
- на производство теплоизоляционных изделий из неавтоклавного пенобетона на производственных площадях ООО «СПК».
Разработаны 4 технических условия:
- ТУ 2481-007-43992733-2003 «Пенообразователь Биолас 2»;
- ТУ 5760-001-76643640-2005 «Пенобетон монолитный»;
- ТУ 5832-038-02069295-2005 «Блоки стеновые из цементного пенобетона»;
- ТУ 5767-030-02069295-2004 «Изделия из теплоизоляционного пенобетона неавтоклавного твердения».
Результаты экспериментальных исследований, полученных при выполнении диссертационной работы, внедрены в учебный процесс для студентов специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены на:
- 2-ой Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство» (Томск, ТГАСУ, 2002 г.);
- межрегиональной научно-технической конференции "Строительство: материалы, конструкции, технологии" (Братск, 2003 г.);
- всероссийской конференции «100 лет архитектурно-строительному образованию в Сибири» (Томск, 2002 г.);
- 9-ой Международной научно-практической конференции «Качество – стратегия XXI века» (Томск, 2004 г.);
- 10-ой Международной научно-практической конференции «Качество – стратегия XXI века» (Томск, 2005 г.);
Публикации:
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 научных статьях и тезисах докладов.
Практическая ценность работы.
Разработанные составы и технологические приемы приготовления пенобетона позволяют получить пенобетон с плотностью 300-1200 кг/м3 с высокой степенью стабильности параметров качества.
Полученные результаты исследования по влиянию гранулометрического состава мелкого заполнителя на свойства пенобетона легли в основу технологии производства мелкого обогащенного песка в ОАО «Томская судоходная компания» г. Томск применительно к изготовлению пенобетона.
Разработан способ подбора состава неавтоклавного пенобетона с использованием синтетических пенообразователей и ускорителей твердения отечественного производства.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы наименований и приложений. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц, 35 рисунков, приложения и список литературы из 115 наименований.
Автор выражает признательность коллективу кафедры строительных материалов и технологий, и лично к.т.н. доценту Н.П. Душенину, за консультации и критические замечания, учтенные при выполнении работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы и необходимость проведения исследований для получения пенобетона со стабильными параметрами качества, определена цель и задачи исследований, изложена научная новизна, практическая значимость работы и результаты ее реализации.
В первой главе на основе данных опубликованных работ Ю.М. Баженова, А.Т. Баранова, Ю.П. Карнаухова, С.А. Коломацкого А.П. Меркина, С.И. Павленко, Б.М. Румянцева, В.И. Соломатова, И.Б. Удачкина, Е.М. Чернышева, В.Ф. Черных по структуро- и порообразованию в цементных строительных композициях, рассмотрены различные способы получения и свойства пенобетона, его преимущества и недостатки по сравнению с другими теплоизоляционными материалами. Возросший значительный интерес к пенобетону неавтоклавного твердения вызван не только его потенциальными техническими и эксплуатационными характеристиками, но и простой, доступной технологией производства поризованных материалов и изделий с использованием местного сырья. Однако пенобетоны отличаются недостаточной стабильностью средней плотности, прочности и другими параметрами качества.
Параметры качества пенобетона зависят от стабильности свойств пенообразователя, мелкого заполнителя, вяжущего, технологии приготовления, условия твердения пенобетона (рис. 1). Следовательно, для решения проблемы повышения стабильности пенобетона необходим комплексный подход, предполагающий изучение влияния различных факторов на свойства пенобетона, и использование их для управления параметрами качества пенобетона в целом.
Рис. 1 Факторы, влияющие на стабильность свойств пенобетона.
Управление уровнем качества и стабильностью параметров пенобетона в рамках разрабатываемой технологии может быть осуществлено с использованием принципов системы менеджмента качества ГОСТ Р ИСО 9001-2001, а именно процессного подхода реализации цикла жизнедеятельности продукции.
Вторая глава диссертации посвящена характеристикам применяемых материалов и методикам проведения исследований.
В качестве вяжущего для приготовления пенобетонной смеси применялся портландцемент Топкинского цементного завода двух видов ПЦ 500-Д0 и ПЦ 400-Д20.
В качестве мелкого заполнителя использовались пески Томской области месторождений «Кудровское» и «Дикая коса».
При разработке составов и исследований пенобетонов применялись:
- пенообразователи ТЭАС, Neopor, ПО-1, Неолас, Биолас 2, Ареком 4 и ПБ 2000;
- пластификаторы С-3 и ЛСТ;
- ускорители твердения Асилин 12, универсал П-2.
Приготовление пен производилось в лабораторном пенобетоносмесителе объемом 10 литров, по своим характеристикам приближенном к серийно выпускаемой промышленной установке ПБС 160 М.
Исследования пенобетона проводились в лабораториях кафедры «Строительные материалы и технологии» ТГАСУ, ФГНУ НИИСМ и предприятий стройиндустрии, где проводились опытно-промышленные испытания и внедрения.
В работе применялись стандартные методики проведения испытаний, а также методики, разработанные автором.
Третья глава посвящена исследованиям процессов пенообразования и выборам пенообразующих добавок.
Предложена схема переменных параметров, влияющих на протекание, характер пенообразования и свойства получаемой пены.
К пенообразователям предъявляют ряд требований:
- существенно снижать поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз «вода-воздух»;
- сохранять стойкость пены в водных вытяжках цементной суспензии и при минерализации;
- существенно не замедлять структурообразование отформованных изделий;
- сохранять постоянство состава и свойств при хранении и транспортировании;
- доступность, небольшая стоимость, безопасность для здоровья и окружающей среды.
Результативность выполнения этих требований зависит от факторов, представленных на рис. 2.
Рис. 2. Схема переменных параметров, влияющих на пенообразование и свойства получаемой пены.
Пригодность пенообразователей в производстве пенобетона оценивают по 2 критериям: кратность и стойкость получаемой пены. Как показывают полученные данные, стабильность свойств пенобетона напрямую зависит от стабильности свойств получаемой пены. Поэтому нами предлагается ввести еще один критерий оценки эффективности пенообразователя - стабильность свойств получаемой пены.
Данные исследования различных пенообразующих добавок по параметру стойкость получаемых пен (рис. 3) показывают, что наибольшей стойкостью обладает пена на основе белкового
Рис. 3. Стойкость пен пенообразующих добавок
пенообразователя Неопор. Из представленных отечественных пенообразователей высокой стойкостью, приближающейся к Неопору, обладают: Биолас 2 (совместная разработка с ООО Оргсинтез по модификации жидкого мыла Неолас и получению пенообразователя применительно к производству пенобетона), Ареком 4 и ПБ 2000. На пенообразователь Биолас 2 разработано и зарегистрировано техническое условие ТУ 2481-007-43992733-2003.
Стабильность пористой матрицы пенобетона в начальный период его структурообразования (до начала схватывания) преимущественно обеспечивается стойкостью пены. Поэтому повышение стабильности параметров качества пенобетона можно прогнозировать по значению стабильности пены пенообразователя.
На уровень качества пенобетона существенное влияние оказывает кратность получаемых пен. Значения кратности пен из растворов с объемной долей пенообразователя в количестве 3% представлена на рис. 4.
Рис. 4. Кратность пен из растворов с объемной долей пенообразователя 3%.
Результаты исследований и анализ литературных данных показали, что характер структурного строения и технологические свойства пены меняются в зависимости от значений кратности. Низкократные пены (кратность до 5) характеризуются сферической формой пор, отсутствием жесткого структурного каркаса и текучестью, обусловленной наличием свободной, не перешедшей в адсорбционные слои, жидкой фазы. Истечение последней (синерезис) определяет нестабильность этих пен после приготовления. У пены средней кратности (от 5 до 10) объем вовлеченного воздуха составляет примерно 75-80%, что соответствует теоретическому значению пустотности системы с плотнейшей упаковкой соприкасающихся сферических пор одинакового размера. Пены данной кратности имеют относительно толстые пленки, особенно в зонах между узлами, где их толщина повышается в несколько раз. Теоретически этот фактор позволяет вести бездефектную минерализацию последних зернами мелкого заполнителя и гидравлического вяжущего, что достигается за счет стеснения и закрепления зерен заполнителя и вяжущего в пленках пузырька и в центре межузлия в процессе перемешивания без «прорезки» стенок пор и деформации пузырька. На наш взгляд, данные пены являются лучшей основой для получения конструкционно-теплоизоляционного пенобетона. Пены высокой кратности (кратность выше 10) имеют объем воздушной фазы 89-93% и могут служить основой для получения теплоизоляционного пенобетона. Однако увеличение воздушной фазы приводит к постепенному ухудшению их технологических свойств за счет перестройки структуры в плотную и жесткую упаковку частично деформированных сферических пузырьков со множеством тончайших пленок в зонах соприкосновения пор. Пониженная подвижность, ограниченный объем жидкой фазы и наличие тончайших контактных пленок определяют повышенную склонность этих пен к нерегулируемому разрушению в процессе приготовления пенобетонной смеси. Такие пены являются не стабильными и требуют дополнительных технологических решений.
Анализ полученных данных показывает, что на кратность, а следовательно и на структуру пены можно влиять путем изменения концентрации пенообразователя. Результаты исследований с использованием пенообразователя Биолас 2, представлены на рис. 5.
Рис. 5. Кратность и стойкость пен из водных растворов на основе пенообразователя Биолас 2 при различных его концентрациях.
Как видно из рис. 5 изменяя концентрацию пенообразователя возможно получение низкократной пены (кратность 3), пены средней кратности (кратность 5-8) и высокократной пены (кратность 11). Результаты работы на промышленных установках показали, что возможно формирование как полидисперсной, так и монодисперсной структуры пены путем подбора режима пеногенератора, вида и концентрации пенообразователя.
Была проведена оценка стабильности свойств получаемой пены у различных пенообразующих добавок. Оценка стабильности проводилась по критерию показатель изменчивости стойкости и кратности пен. Результаты проделанной работы представлены на рис. 6. В соответствии с полученными результатами предложена классификация пенообразующих добавок по показателю стабильности: стабильные (показатель изменчивости менее 5) и нестабильные (показатель изменчивости более 5).
Рис. 6. Показатель изменчивости стойкости и кратности пен у ряда пенообразующих добавок
Как видно из рис. 6 к стабильным можно отнести пенообразователи - Неопор, Биолас 2, Ареком 4, ПБ-2000. Необходимо отметить тот факт, что при анализе рисунков 6 и 3 видно, что большей стойкостью обладают пены, приготовленные из стабильных пенообразователей.
По результатам проделанной работы можно сделать вывод, что наибольшей стабильностью отличается белковый импортный пенообразователь Неопор. Из-за высокой ее стоимости данная добавка в дальнейших исследованиях не применялась. Исследования пенобетона продолжались с использованием отечественных стабильных синтетических пенообразователей: Биолас 2, Ареком 4 и ПБ-2000.
Результаты исследований по влиянию пенообразователей на структурообразование цементного раствора в 28 суточном возрасте показали, что все пенообразующие добавки замедляют структурообразование, при этом, наименьшее снижение прочности (13.3%) наблюдается у образцов с использованием Биоласа 2.
В четвертой главе приведены результаты исследований закономерностей формирования пористой структуры пенобетона, а именно теоретическое обоснование формирования структуры пенобетона, классификация факторов, влияющих на ее качество, влияние удельной поверхности минеральной составляющей, В\Т- отношения, химических добавок на однородность структуры, свойства пенобетона и их стабильность. Кроме того, описывается методика проектирования составов пенобетона с заданными параметрами по плотности и прочности, разработаны технологии приготовления пенобетона, обеспечивающие установленные потребителем (заказчиком) требования с учетом его назначения.
В конструкционно-теплоизоляционном пенобетоне в качестве заполнителя используется мелкий песок. В большинстве районов Западной Сибири преобладают месторождения очень мелких и мелких песков. Проведенные исследования и анализ литературных данных применяемых в работе песков показали нестабильность их свойств по следующим параметрам:
- гранулометрическому составу;
- содержанию зерен гравия (от 0,5 до 5%);
- содержанию пылевидных и глинистых частиц (от 0,8 до 8%).
Проведенными исследованиями по оценке зависимости прочности пенобетона различной плотности от крупности песка установлено (рис. 7), что для достижения максимальной прочности пенобетона при заданной средней плотности необходимо использовать заполнитель оптимальной крупности.
Рис. 7. Рекомендуемые фракции песка для приготовления пенобетона различной средней плотности.
На основе полученных научных результатов совместно с ОАО «Томская судоходная компания» разработана технология производства мелкого обогащенного песка для производства пенобетона, который в настоящее время широко используется строительными организациями г. Томска. Использование в качестве мелкого заполнителя пенобетона обогащенного песка позволяет снизить показатель изменчивости свойств (средняя плотность, прочность) с 14 % до 8,5%.
Исследования по влиянию удельной поверхности песка на свойства пенобетона показали, что для повышения устойчивости пенобетонной массы пенобетона на стадии формования и набора пластической прочности пенобетона рекомендуется использовать заполнитель с развитой удельной поверхностью. При проведении данной работы использовался речной природный песок месторождения «Дикая коса», измельченный в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности 150, 200, 250, 300 и 350 м2/кг. Результаты проделанной работы, приведенные на рис. 8, показывают, что измельчение запол-
Рис. 8. Влияние удельной поверхности минеральной составляющей на прочность пенобетона.
нителя позволяет повысить прочность пенобетона на сжатие, а также снизить среднюю плотность пенобетона при сравнительно небольшой потери прочности. Этот эффект достигается благодаря увеличению дисперсности материала и повышению его реакционной способности. Дисперсный анализ песка, размолотого до удельной поверхности свыше 200 м2/кг, показал, что порошок песка представлен частицами от 5 мкм до 140 мкм. Преобладают зерна размером 30-40 мкм. Полидисперсный состав измельченного песка способствует уплотнению цементной матрицы и повышению ее прочности. Образуется более однородная поровая структура с равномерной толщиной межпоровых цементных перегородок, прочность которых в значительной степени влияет на прочность пенобетона. На рис. 9 представлена микроструктура пенобетона приготовленного с использованием песка с естественным гранулометрическим составом и измельченным до удельной поверхности 250 м2/кг.
1 а в
2 а в
Рис. 9. Микроструктура пенобетона, на песке с естественным гранулометрическим составом (1) и измельченном до удельной поверхностью 250 м2/кг (2). а - увеличение х 10; в - увеличение х 60.
Результаты исследований показали, что при повышении удельной поверхности песка не пропорционально увеличивается прочность и плотность межпоровых перегородок. Из данных, приведенных на рис. 8 видно, что в образцах пенобетона на заполнителе с удельной поверхностью 350 м2/кг прочность снижается, а микроскопические исследования показывают деформирование межпоровых стенок. Это объясняется введением повышенного количества воды затворения, необходимого для смачивания развитой поверхности смеси, что приводит к возрастанию капиллярных пор, деформации усадки и снижению прочности межпоровых перегородок и пенобетона в целом.
Увеличить прочность межпоровых перегородок можно путем введения тонкодисперсных активных минеральных добавок, а также пластифицирующих добавок.
При проведении исследований в качестве тонкодисперсной активной добавки использовался микрокремнезем, побочный продукт металлургического производства при выплавке ферросилиция. Микрокремнезем вводился в пенобетонную смесь в количестве от 3 до 5% от массы цемента. Результаты испытания образцов в 28 суточном возрасте, представленные на рис. 13, показывают, что введение 
Рис. 10. Влияние микрокремнезема на прочность пенобетона
в смесь пенобетона микрокремнезема позволяет повысить его прочность. На наш взгляд это связано с влиянием микрокремнезема на тиксотропные свойства системы путем изменения протяженности структурных элементов – цепочек и их перехода при контактных взаимодействиях в пространственные каркасные ячейки. Это условие соответствует минимальным значениям межфазного натяжения при максимальном развитии граничных поверхностей, что предполагает существование большого числа точечных коагуляционных контактов вплоть до создания предельного наполнения системы, в которой массовый переход к сцеплению в ближнем порядке вызывает резкое упрочнение. Увеличение прочности пенобетона наблюдается при введении микрокремнезема в количестве до 4 % от массы цемента. Дальнейшее повышение содержания микрокремнезема приводит к снижению прочности. Это объясняется существенным повышением водопотребности смеси, из-за высокой удельной поверхности микрокремнезема. Снизить В/Т отношение в системе можно путем введения в пенобетонную смесь пластифицирующих добавок, однако как оказалось на практике, только суперпластификатор С-3 без потери качества позволил снизить водопотребность системы, и тем самым повысить прочность пенобетона на сжатие до 20%. При введении других добавок наблюдались изменения в поровой структуре пенобетона, повлекшие за собой усадку и снижение прочностных характеристик.
Проведенные исследования показали, что пенообразующие добавки замедляют схватывание и прочность пенобетона, особенно в ранние сроки твердения. Проявление этого явление заметно усиливается с понижением средней плотности пенобетона и доставляет технологические неудобства при производстве изделий из-за медленной оборачиваемости форм. Это явление особенно заметно при производстве теплоизоляционного пенобетона, поскольку для получения пены высокой кратности пенообразователь вводится в повышенном количестве. Для компенсации данного эффекта нами предлагается использовать добавки - ускорители твердения.
В качестве ускорителей схватывания и твердения в работе использовались следующие химические добавки: Универсал-П-2 и Асилин 12. Все добавки вводились в пенобетонную смесь теплоизоляционного пенобетона марки D 400 на стадии перемешивания смеси в количестве 0,2; 0,5; 0,8 и 1% от массы цемента. Результаты испытания образцов, твердеющих в нормальных условиях, с 0,8 и 1,0% ускорителей твердения от массы цемента представлены на рис. 11.
а
б
Рис. 11 Влияние ускорителей твердения на прочность пенобетона при количестве ускорителей твердения 0,8% от массы цемента (а) и 1% (б).
Введение добавок - ускорителей твердения в пенобетонную смесь даже в небольших количествах позволяет ускорить набор прочности пенобетона и ее конечную прочность. Для дальнейших исследований и промышленного использования разработанных технологий приготовления пенобетонных смесей рекомендовано использовать добавки - ускорители твердения в количестве: Асилин 12 - 0,5%, Универсал П2 - 1 % от массы цемента.
На основе полученных научных результатов разработан способ проектирования состава неавтоклавного пенобетона, который включает:
- подготовку исходных данных (анализ требований потребителя к средней плотности и прочности пенобетона, оценка качества и выбор сырьевых материалов, обоснование условий приготовления смеси, изделий и твердения);
- предварительный расчет состава пенобетона, обработку данных экспериментальных пробных исследований по параметрам составов, свойств и технологических режимов.
- проверка составов. Обработку данных пробных замесов проводят с использованием разработанной прикладной программы автоматических расчетов для математического моделирования технологических процессов с использованием метода полного факторного эксперимента. Программа предназначена для трех серий параллельных опытов. После ввода данных она автоматически производит следующие расчеты: расчет коэффициентов уравнения регрессии (свободный член, коэффициенты при линейных членах, коэффициенты при парных взаимодействиях), расчет оценки дисперсии в определении коэффициентов регрессии (оценка дисперсии для всех серий опытов, оценка дисперсии воспроизводимости опытов, число степеней свободы, оценка дисперсии в определении коэффициентов регрессии, проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии). Затем автоматически составляется уравнение регрессии и производится оценка его адекватности. Далее регрессионные уравнения преобразуются в номограммы, позволяющие принять решение по оптимизации состава пенобетонных смесей. Средняя плотность пенобетона должна отличаться не более чем 5% от расчетной.
Разработанные составы теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного пенобетонов и их свойства представлены в табл. 1, 2 и 3.
Таблица 1. Составы теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного пенобетонов
| Марка пенобетона по средней плотности | Расход цемента, кг | Расход заполнителя, кг | Расход воды, л | Расход пенообразователя Ареком 4, л | Расход добавки Асилин 12, кг |
| D400 | 230 | 139 (Sуд 250 м2/кг) | 240 | 2,0 | 1,2 |
| D800 | 400 | 330 (обогащенный песок) | 320 | 1,1 | --- |
Таблица 2. Свойства теплоизоляционного пенобетона в возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях
Таблица 3. Свойства конструкционно-теплоизоляционного пенобетона
Как видно из табл. 2, 3, разработанный метод обеспечивает возможность прогнозирования требуемых параметров пенобетона на стадии проектирования его состава и высокую степень однородности параметров качества пенобетона.
В пятой главе приведены результаты опытно-промышленных испытаний и внедрений результатов работы. Предложены технологические схемы производства пенобетона с использованием различного технологического оборудования. Результаты проведенных испытаний пенобетона в производственных условиях показали высокую стабильность параметров по средней плотности и прочности. Достигнутый показатель изменчивости для пенобетона марки D400 - по средней плотности - 3,9 - 4,8 по прочности на сжатие - 5,7- 9,7. Для пенобетона марки D800 - по средней плотности - 2,3-4,6 по прочности на сжатие - 7,6-9,7.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:
1. Эффективным материалом для ограждающих конструкций с повышенной теплозащитой является пенобетон. Пенобетон обладает не достаточной стабильностью параметров качества. Показатель изменчивости по параметрам средней плотности и прочности составляет 15-25%. Совершенствование технологии пенобетона по критерию стабильности параметров качества следует осуществлять используя принципы системы менеджмента качества, а именно процессный подход при реализации цикла жизнедеятельности продукции.
2. Наибольшая стойкость и кратность пены обеспечивается при генерировании пор двух уровней по размеру: первый – 0,5 – 1,0 мм, а второй в 4 и более раза меньше. Это позволяет повысить однородность поровой структуры и снизить показатель изменчивости по средней плотности до 2,2, а по прочности до 5,1.
3. Для пен средней кратности (5-10) размер пор и их расположение в объеме (упаковка), полученные в процессе пенообразования, практически не изменяются в смесителе при объединении с минерализаторами с удельной поверхностью 200 – 300 м2/кг (цемент, наполнители) при водотвердом отношении смеси 0,60 – 0,65. Это позволяет управлять процессом формирования поровой структуры пенобетона с повышенной стабильностью на стадии получения пены и ее смешивания с другими компонентами. Кратностью и структурой пены можно управлять путем регулирования концентрации пенообразователя.
4. Установлена связь между рекомендуемым наибольшем размером зерен заполнителя и проектируемой средней плотностью пенобетона (при достижении его максимальной прочности), например:
D1000-D1200 – Д наиб. заполнителя – 1,25-2,5 мм;
D800-D900 – Д наиб. заполнителя – 0,63-1,25 мм.
Это позволило обосновать выбор крупности заполнителя при проектирования состава пенобетона с повышенной стабильностью качества.
5. При использовании в качестве заполнителя пенобетона измельченного песка с удельной поверхностью 200-250 м2/кг повышается стабильность по параметрам средней плотности и прочности и достигает, соответственно, 3,1 и 5,1%.
6. Введение активных минеральных и пластифицирующих добавок, приводит к повышению прочности пенобетона на сжатие. Так, введение микрокремнезема в количестве 4 % от массы цемента позволяет повысить прочность на сжатие до 40%, а пластифицирующей добавки С-3 - до 20%.
7. При использовании в технологии приготовления пенобетона добавок - ускорителей твердения Асилин 12 и Универсал П2 в количестве 0,5% - и 1,0% от массы цемента структурообразование пенобетона ускоряется, так, например, прочность на сжатие в пенобетона в 7-суточном возрасте повышается на 55 и 60%, соответственно.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Душенин Н.П., Киселев Д.А, Кузнецова Ю. В., Тимофеева Т.В. Улучшение технологических свойств пенобетона // Нетрадиционные технологии в строительстве: Мат-лы Второго междунар. науч.-тех. семинара. 29 мая – 1 июня 2001г. г. Томск. – Томск: ТГАСУ, 2001. – С.441-442.
2. Душенин Н.П., Киселев Д.А. Пенобетон на мелкодисперсном сырье Сибирского региона // Архитектура и строительство: Тезисы докладов Междунар. науч.-тех. конф. - Томск 2002. - С.6-7.
3. Киселев Д.А., Беляева Т.В., Нагин И.В. Проектирование составов неавтоклавного пенобетона // Строительство: материалы, конструкции, технологии: Мат-лы Межригиональной науч.-тех. конф. 24 – 26 марта 2003г. г. Братск. – Братск: БГТУ, 2003. – С.59-61.
4. Киселев Д.А. Обеспечение качества производства пенобетонных изделий на производственных площадях ОАО «ССМ» // Качество - стратегия ХХI века: Тезисы докладов IХ Междунар. науч.- тех. конф. – 25 -26 нояб. 2004 г. г. Томск. – Томск ТПУ, 2004. - С.53-54.
5. Кудяков А.И., Киселев Д.А., Ширшов В.И. Управление свойствами неавтоклавного пенобетона // Проектирование и строительство Сибири. - 2005. - №4. - С.29-30.
6. Кудяков А.И., Киселев Д.А. Управление структурой и качеством пенобетона // Качество - стратегия ХХI века: Тезисы докладов Х Междунар. науч.- тех. конф. – 25 -26 нояб. 2005 г. г. Томск. – Томск ТПУ, 2005. - С.12-13.
7. Киселев Д.А., Оленева М.С. Монолитный пенобетон в строительстве. // Инноватика - 2005: Тезисы докладов I Всероссийской науч.- практ. конф. – 2 - 3 июня 2005 г. г. Томск. – Томск Администрация Томской области, 2005. - С.43-44.
