Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Легкие пенобетоны. макроструктура и свойства 12
1.1. Пена, как структурообразующий компонент пенобетона 16
1.1.1. Оценка существующих пенообразователей и влияния различных факторов на поведение пены 17
1.1.2. Влияние пенообразователей на свойства цементного теста и цементного камня 21
1.1.3. Формирование структуры пен и ее разрушение 23
1.1.4. Стабильность пен и способы ее повышения 25
1.1.5. Методы определения стабильности пен, их достоинства и недостатки 28
1.2. «Сверхлегкий» пенобетон - эффективный теплоизоляционный материал 29
1.2.1. Пенобетонная смесь - как трехфазная метастабильная система 30
1.2.2. Влияние интенсификации процессов твердения цемента на стабильность пенобетонной смеси и свойства пенобетона 35
1.2.3. Воздействие технологических факторов на свойства пенобетонных смесей и пенобетонов 37
1.2.4. Макропористая структура - как показатель, определяющий физико-механические свойства пенобетона 40
1.2.5. Теплопроводность ячеистых бетонов и влияние на нее различных факторов 47
Глава 2. Исходные материалы и методы исследования 50
Глава 3. Оптимизация технологических параметров приготовления пен 59
3.1. Расчет структурных характеристик ячеистых материалов на базе геометрических моделей 59
3.2. Анализ характеристик пен режимы получения и способы увеличения их стабильности 68
3.3. Исследование влияния свойств пен на их стабильность 80
Выводы 86
Глава 4. «Сверхлегкий» пенобетон - основы его получения и способы регулирования структуры и свойств 88
4.1. Расчет прочности «сверхлегкого» пенобетона 88
4.2. Факторы стабильности СПБС и основы получения безавтоклавного СПБ 95
4.3. Влияние компонентов СПБС на макроструктуру безавтоклавного СПБ 103
4.4. Влияние структуры «сверхлегкого» пенобетона на его физико-механические характеристики 111
Выводы 117
Глава 5. Опытно-промышленное внедрение и технико-экономическая эффективность СПБ 118
5.1. Расчет технико-экономической эффективности СПБ 118
5.2. Опытно-промышленное внедрение технологии СПБ 121
Общие выводы 123
Список литературы 126
Приложение 138
- Влияние пенообразователей на свойства цементного теста и цементного камня
- Анализ характеристик пен режимы получения и способы увеличения их стабильности
- Факторы стабильности СПБС и основы получения безавтоклавного СПБ
- Опытно-промышленное внедрение технологии СПБ
Введение к работе
В новом тысячелетии большое внимание уделяется теплоизоляционным материалам (ТИМ). Это связано не только с изменениями СНиП II-3-79*, предполагающими переход к новым теплотехническим нормам. Помимо этого ТИМ применяют для целей звукоизоляции, а также в облегченных строительных конструкциях, вес которых не должен существенно влиять на осадку фундамента при надстройке уже существующих зданий.
Конструкционным принципом современного строительства становится функциональное разделение материалов при обязательном условии их эксплуатационной совместимости. Классическим примером является здание, в котором каркас - несущий элемент, а функции наружных стен выполняют многослойные конструкции с эффективным теплоизоляционным средним слоем.
Интерес к теплоизоляции с точки зрения материаловедения связан с возможностями усовершенствования существующих и получения качественно новых материалов. Поскольку основой большинства свойств ТИМ являются характеристики материала матрицы (каркаса) и пористой структуры, то усилия технологов-исследователей направлены на изыскание возможностей их регулирования.
В ряду теплоизоляционных материалов находятся пенополистирол, пенополиуретан, минеральная вата, полистиролбетон, перлитобетон, вермикулитобетон, керамзитобетон, гипсоячеистый бетон, пеногазогипсобетон, мипора, соломат, арболит, фибролит, ячеистый цементный бетон и др., однако не все из них можно отнести к эффективным. Основной характеристикой эффективных теплоизоляционных материалов является теплопроводность, которая связана с плотностью и макроструктурой.
5 Говоря о структуре ТРІМ можно выделить три ее основных вида:
волокнистая, ячеистая и смешанная. От ориентации, формы и размера волокон
или пор в пространстве матрицы и плотности их упаковки в конечном итоге
зависит и теплопроводность материала, и его прочность. Прочность для ТИМ
не является определяющим фактором, но она должна обеспечить самонесущую
способность материала и сопротивление транспортно-монтажным нагрузкам.
Теплопроводность ТИМ зависит от его плотности. В. В. Макаричев и Н. И.
Левин [128] путем статистической обработки большого количества
экспериментальных данных, полученных отечественными и зарубежными
исследователями, вывели средние коэффициенты теплопроводности ячеистого
бетона для разных значений его плотности. Тоже можно сказать и о других
материалах. Из этих данных следует, что невозможно при плотности 500 кг/м
получить X = 0,05 Вт/м С, какой бы не была структура этого материала. В то
же время нельзя забывать о доминирующей роли макроструктуры ячеистых
материалов, основные параметры которой: размер, форма, а также замкнутость
пор определяют их физико-механические и теплофизические свойства.
Снижение плотности известных строительных материалов, всегда являлось одной из главных задач науки и практической технологии. Одним из таких материалов является пенобетон, который с 60-ых годов в нашей стране был вытеснен автоклавным газобетоном, выпускаемом десятками заводов на оборудовании фирмы «Сипорекс». Поэтому усилия ученых были направлены на исследование и улучшение свойств газобетона. А между тем, пенобетон имеет огромный потенциал и способен конкурировать с газобетоном и другими материалами по технологическим, эксплуатационно-техническим и экономическим показателям. Наша страна существенно отстает от Запада в области производства качественного пенобетона. Это связано с использованием нестабильных пен и слабой механизацией и автоматизацией производства.
Еще в 20-е годы прошлого века Эрику Байеру удалось получить пенобетон, который по своим свойствам не уступал современным аналогам [3].
Практическое осуществление в строительстве идея получения поризованного бетона нашла в 1925-26 годах. Впервые запатентованный шведским ученым Эриксоном способ получения ячеистой структуры - состоял в газировании цементно-известкового раствора водородом, образующимся в результате взаимодействия алюминиевой пудры с известью. Второй способ -изобретение Эрика Байера в Копенгагене, разработанное лабораторией проф. Я. Якобсена в Копенгагенской Высшей Школе и строительно осуществляемое фирмой Христиани и Нильсен - заключается в «присадке» к цементному раствору особой прочной и не оседающей пены, придающей смеси ячеистую структуру. В нашей стране о ячеистом бетоне узнали три года спустя.
Пенобетон не единственный теплоизоляционный материал, поэтому его нужно рассматривать в сравнении с другими ТИМ. В табл. 1.1 представлены основные характеристики некоторых ТИМ.
Таблица 1.1 Основные характеристики теплоизоляционных бетонов и пенопластов
8 Большой интерес с точки зрения теплоизоляции представляют пенопласты,
которые благодаря своей структуре и легкости обеспечивают высокое
термическое сопротивление стены при ее минимальной толщине. Но
существует несколько недостатков, которые присущи пенопластам - это
горючесть, относительно быстрое старение и выделение вредных веществ
некоторыми из них. Если горючесть полимерных пенопластов можно снизить с
помощью антипиренов, то их старение можно лишь незначительно замедлить, а
стойкость полимеров к воздействию повышенных температур увеличить
практически невозможно. Наиболее распространенными материалами,
применяемыми для теплоизоляции ограждающих конструкций жилых зданий,
на сегодня являются минераловатные изделия.
Безусловно, минеральные строительные материалы, в частности на основе цемента, менее подвержены старению, чем полимеры, однако они тяжелее пенопластов, т.к. реологические свойства цементного теста и его плотность не позволяют получить тонкостенную ячеистую структуру.
Чтобы приблизиться по своим характеристикам к известным пенопластам «минеральный пенопласт» должен обладать пористостью свыше 90 %. Поры должны быть замкнутыми для обеспечения высоких прочностных характеристик. Этим характеристикам теоретически может соответствовать пенобетон.
Задача получения пенобетона с теплоизоляционными характеристиками, приближающимися к пенопласту, является интересной с точки зрения науки, поскольку до сих пор его удавалось достаточно стабильно получать плотностью 250-500 кг/м . Пенобетон меньшей плотности (200-100 кг/м3) получить, и, тем более, производить в промышленном объеме очень сложно. Известны исследования Меркина А.П., который, рассматривая процессы структурообразования, предположил возможность получения такого материала [74]. Однако, в основе этого были заложены процессы формирования полидисперсной макроструктуры на каждой стадии приготовления пенобетонной смеси. При этом использовался газо-пенный способ, что не
9 позволяло оценить вклад пен в процесс формирования макроструктуры
пенобетона.
История изучения пенобетона наглядно демонстрирует процесс его развития от более плотного к менее плотному, от менее сложного к более сложному. Получение «сверхлегкого» пенобетона (СПБ) плотностью 100-200 кг/м3 является принципиальной задачей еще и потому, что может открыть некоторые закономерности не характерные, или менее заметные, при исследовании более плотных пористых материалов. Всестороннее рассмотрение процессов, происходящих при изготовлении СПБ, начиная с расчета его макроструктурных показателей и заканчивая влиянием пенообразователя и цементного теста на свойства пены и пенобетонной смеси, явилось одной из главных задач данной работы.
Цель работы. Разработка структурно-технологических основ получения «сверхлегкого» пенобетона плотностью 100-200 кг/м3 и оценка влияния его макроструктуры на физико-механические свойства для последующей практической реализации.
Для ее достижения решались следующие задачи:
расчет основных структурных показателей пенобетона на геометрических моделях;
оптимизация технологических способов управления свойствами пен на базе промышленных пенообразователей;
выявление факторов стабильности «сверхлегкой» пенобетонной смеси;
исследование влияния параметров пен и цементного теста на формирование макроструктуры и свойств «сверхлегкого» пенобетона;
разработка производственных режимов получения «сверхлегкого» пенобетона и их опытно-промышленная реализация.
Автор защищает:
- модельные представления о структуре пор, которая использована для
расчета основных структурных показателей легких ячеистых
материалов и состоит из ромбододекаэдров;
- зависимость стабильности от концентрации пенообразователя (ПО) в
объеме пены с учетом площади поверхности последней;
двухстадийный способ получения водных пен с максимальным коэффициентом использования пенообразователя;
результаты комплексного исследования влияния составляющих пенобетонной смеси на структуру и свойства «сверхлегкого» пенобетона;
результаты опытно-промышленного внедрения разработанных составов «сверхлегкого» пенобетона.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована ромбододекаэдрическая форма пор для расчета структурных характеристик ячеистых материалов;
выведены математические зависимости и предложен порядок расчета прочности ячеистых материалов, исходя из структурных параметров;
установлена зависимость стабильности различных видов пен от их подвижности и предложена формула для ее расчета;
установлена и экспериментально подтверждена зависимость стабильности пен от концентрации в ней ПО с учетом площади поверхности пор;
установлено положительное влияние увеличения плотности пены, а также уменьшения В/Ц и дисперсности цемента на процесс формирования макропористой структуры «сверхлегкого» пенобетона (СПБ) и предложен механизм стабилизации «сверхлегкой» пенобетонной смеси (СПБС);
выявлена и теоретически определена максимальная толщина межпоровой перегородки в пенобетоне низкой и средней плотности, согласно которой рассчитан оптимальный средний диаметр пор для СПБ.
Практическая ценность состоит в следующем:
разработаны структурно-технологические основы получения «сверхлегкого» безавтоклавного пенобетона плотностью 100-200 кг/м3;
разработан двухстадийный способ приготовления водных пен на основе промышленных пенообразователей;
предложена новая методика определения оптимальной плотности пен, используемых для получения «сверхлегкого» пенобетона;
разработан способ расчета прочности пенобетонов по их структурным параметрам и прочности цементного камня;
разработана ускоренная методика определения стабильности пен по их подвижности;
разработан проект технологического регламента на производство «сверхлегкого» пенобетона;
выпущена опытно-промышленная партия стеновых пенобетонных блоков с плотностью 150-200 кг/см3, расчетный экономический эффект от применения которых составляет 170 р/м стены жилого здания.
Апробация работы и публикации. Представленные в диссертации результаты исследований публиковались и докладывались на шестых академических чтениях РААСН/ ИвГАСА г. Иваново, (2000); на Международной НПК «Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве», г. Белгород, БелГТАСМ, (2002); в Мордовском Государственном Университете, г. Саранск, (2002); на Международной НТК «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» г. Пенза, ПенГАСА, (2000).
Реализация работы. Технология получения «сверхлегкого» пенобетона опробирована и внедрена на заводе ЖБИ (г. Волжск) «Ассоциации Унистрой».
Работа выполнена на кафедре ТСМИК (Технологии строительных материалов изделий и конструкций) Казанской ГАСА.
Объем и структура работы. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список использованных источников из 130
12 наименований и приложение. Изложена на 149 страницах машинописного
текста, содержит 21 таблицу, 42 рисунка.
Влияние пенообразователей на свойства цементного теста и цементного камня
Пенобетонная смесь является трехкомпонентной системой, в которой, несомненно, происходит взаимодействие цемента не только с водой, но и с пенообразователем. Пенообразователи являются поверхностно-активными веществами и, вследствие этого, оказывают пластифицирующее действие на цементное тесто, а также влияют на сроки схватывания вяжущего за счет адсорбции на поверхности его частиц. Большой вклад в изучение явлений пластификации вяжущих внесли такие видные ученые, как Б.Г. Скрамтаев, П.А. Ребиндер, Ю.М. Баженов [24], А.В. Волженский [25], Г.И. Горчаков, В.Б. Ратинов [26,27], Т.Н. Розенберг [27], В.Г. Батраков [28,29], B.C. Рамачандран [30], Л.Б. Сватовская [31], В.И. Калашников [32], Ш.М. Рахимбаев и др. Пластифицирующее действие добавок способствует увеличению подвижности смеси без изменения содержания в ней воды. По мнению В. С. Рамачандрана [30], который исследовал влияние суперпластификаторов (СП) на цемент, данный вид ПАВ позволяет увеличить подвижность вяжущего благодаря адсорбции на его поверхности. Естественно, что существует необходимость в определении некоторой рабочей концентрации суперпластификатора, выше которой часть его останется неизрасходованной. Для того чтобы оценить концентрацию суперпластификатора оставшегося в водном растворе, автор использовал спектрометрический метод. Рамачандран, проводя серию опытов с прегидратацией СзА + гипс перед смешением с суперпластификатором, доказал, что смесь не подвергнутая прегидратации, полностью адсорбировала ПАВ. Смесь же подвергнутая предварительной гидратации сорбировала меньшее количество СП. Автор объясняет это тем, что при более позднем введении суперпластификатора уменьшается его адсорбция на алюминийсодержащих фазах. Поэтому можно предположить, что результаты, полученные В. Ф. Черных и др. [33], связанные с дополнительным введением пенообразователя в пенобетон, обусловлены именно процессом отбора некоторого количества ПАВ цементным тестом, который сопровождается снижением прочности пены. Увеличение содержания пенообразователя в пенобетонной смеси может повлиять на структуру пенобетона [34], что авторами в статье не отражается. В работах [26,27] отмечается то, что существуют ПАВ двух видов действия: гидрофилизирующие и гидрофобизирующие. Гидрофилизирующие добавки состоят из молекул содержащих значительное количество функциональных групп различной полярности перемежающихся с неполярными радикалами. Гидрофобизирующие добавки отличаются резкой асимметрией молекул. При этом обеспечивается их ярко выраженная дифильность. Авторами отмечается, что гидрофобизирующие добавки также могут обладать пластифицирующим действием, однако оно слабее выражено, чем у гидрофилизирующих ПАВ. Поверхностно-активные вещества широко используются в производстве клеев и других адгезионных соединений [35,36]. ПАВ вводят в состав клеев для придания им нужной текучести, смачивающей способности, а также регулирования размера пор при вспенивании. В некоторых случаях ПАВ способствуют увеличению адгезионной прочности клеевых соединений, отмечают авторы, причем это наблюдается лишь в строго определенном узком интервале концентраций, так как при использовании больших количеств поверхностно-активных веществ происходит образование слабых граничных слоев и адгезионная прочность уменьшается. Установлено, что пенообразователи оказывают на цементное тесто действие, аналогичное действию пластификатора, тем самым, замедляя сроки схватывания цемента. Замедляющее действие пенообразователей подтверждается [26,27,29,37,38,39] опытными испытаниями по стандартной методике определения нормальной густоты (НГ) и сроков схватывания цементного теста. Но в данном случае изучается влияние ПАВ при непосредственном его смешении с цементным тестом. Такое смешение характерно для получения пенобетона методом аэрации (воздухововлечения) [34,40-45]. Но при раздельном приготовлении пены и цементного теста и последующем их смешении должны происходить другие процессы, так как ПАВ концентрируется у поверхности раздела фаз, тем самым теоретически снижается его концентрация в растворе. И эта концентрация тем меньше, чем больше объем взбитой пены и чем больше пенообразователя затрачено на образование новых поверхностей. Этот факт в литературе не указывается. В отличие от жидкостей, пены имеют особенности, которые позволяют рассматривать их как структурированные системы, обладающие свойствами твердых тел. Внешне это проявляется в способности пены сохранять определенное время первоначальную форму. Как уже было упомянуто, в зависимости от соотношения газовой и жидкой фаз в пене, форма ее пор может быть сферической или полиэдрической. Переходная форма пор от сферической к многогранной названа Манегольдом ячеистой, благодаря сходству со строением пчелиных сот. Ячейки пены принимают форму близкую к сферической в том случае, если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10-20 раз. В таких пенах пленки пузырьков имеют относительно большую толщину. Ячейки пен для которых соотношение объемов газовой и жидкой фаз составляет несколько десятков и даже сотен, разделены очень тонкими жидкими пленками, их ячейки представляют собой многогранники. В процессе старения пен шарообразная форма пузырьков превращается в полиэдрическую. Основные геометрические правила, определяющие структуру пен, были сформулированы Плато. Из отечественных ученых над созданием модели ячейки работал В. В. Кротов. Им в теоретической работе использована модель ячейки четырнадцатигранника. В проводимых другими учеными экспериментах число граней в пузырьке изменялось от 4 до 18 и в среднем составляло 13,7.
По форме грани в основном представляют собой пятиугольники, хотя встречаются квадратные, шести- и семиугольные грани.
В пенах полиэдрической структуры ячеек кривизна отдельных участков пленки неодинакова. Жидкость в пленке и каналах Плато находится под различным давлением, определяемым уравнением Лапласа.
Анализ характеристик пен режимы получения и способы увеличения их стабильности
Совместная обработка экспериментальных данных и полученных нами теоретических расчетов позволит подойти к пониманию процессов формирования прочности ячеистых материалов.
Приведенные расчеты применимы не только к самим ячеистым материалам, но и к жидким пенам, качество которых также определяет конечные свойства получаемых на их основе материалов. С появлением пенобетона огромное внимание стали уделять пенам, применяемым при производстве этого материала. Пены должны были обладать высокой стабильностью и способностью хорошо совмещаться с тестом, приготовленным на основе какого либо вяжущего.
Существует несколько пенообразователей, которые известны достаточно давно, и которые отвечают вышеуказанным условиям. К ним относятся: С ДО, продукт гидролиза боенской крови (ПО-6), смолосапониновый пенообразователь, клееканифольный пенообразователь и ряд других продуктов, позволяющих получить стабильную пену, на основе которой можно сделать качественный пенобетон. У этих видов ПАВ есть и ряд недостатков, которые ограничивают возможность их применения. Об этом достаточно подробно написано в строительной и специальной литературе [37]. Многие из названных пенообразователей в настоящее время сняты с производства, и поэтому необходимо заменить их равноценными, либо усовершенствовать имеющиеся синтетические ПАВ, пены, на основе которых, обладают низкой стабильностью. К таким пенообразователям относятся: ТАЭС, ПО-6, «Неонол» и ряд других.
В последнее время разработано несколько пенообразователей, которые могли бы найти применение и в производстве пенобетона. Эти экологически безопасные ПАВ отличаются высокими показателями биоразлагаемости до 90%, высокой кратностью при относительно низкой концентрации, а также достаточно длительным сроком хранения. Они сделаны на основе ПО-6 с различными модификаторами и выпускаются под следующими торговыми названиями: ПО-6ТС (А, Б), ПО-6МТ, ПО-6ЦТ. Пенообразователи типа ПО-6 получены на основе триэтаноламиновых солей алкилсульфатов первичных жирных спиртов фракции С8-С10, С10-С12. Помимо этого в состав пенообразователей могут входить: первичные жирные спирты фракции С12-С14, бутиловый спирт, карбамид и около 50% воды. Все перечисленные пенообразователи относятся к 4 классу опасности (малоопасные). Пенообразователь ПО-6ТС может содержать стабилизатор диэтилентриамин. Нами были исследованы пенообразователи (ПО) различного химического строения и с разной стабильностью пен, получаемых на их основе. Такой подход обеспечил достоверность результатов по отношению ко всем видам ПО. В испытаниях были задействованы ПО следующих типов: ПО-6ТС, ПО-6ЦТ, ПО-6МТ, ТЭАС, «Неопор», «Пеностром». На сегодняшний день бытует мнение, что стабильность пен возрастает с увеличением концентрации ПО при неизменных прочих условиях приготовления. Важным моментом технологии является снижение В/Ц, в частности и за счет уменьшения плотности пены. Как это влияет на саму пену и на «сверхлегкий» пенобетон? Первый вопрос - вопрос концентрации ПО. В этой части исследования возникает два направления: 1 - концентрация ПО в растворе; 2 - концентрация ПО в объеме пены. Возникновение второго пункта неслучайно. Это вызвано тем, что ПАВ адсорбируется на поверхности, а ведь именно в объеме пены наиболее развита поверхность, нежели в растворе. Вернемся к концентрации ПО в растворе (табл. 3.2.1). Процесс приготовления пен шел при постоянной частоте вращения миксера 500 об/мин. Анализируя данные табл. 3.2.1 можно разделить пены, приготовленные на разных видах ПО, на три группы стабильности: низкостабильные - менее 1 часа, среднестабильные - 1 -3 часа, высокостабильные - более 3 часов. Также видно, что для большинства ПО не характерен рост стабильности с увеличением концентрации. В процессе испытаний обнаружилось, что наибольшей стабильностью обладают те пены, которые способны удерживать большое количество воды, 70-125 г/л, и это не приводит к их разрушению (рис. 3.2.1). К тому же получение этих пен плотностью ниже 40-50 г/л возможно только при очень высоких концентрациях (рис. 3.2.2). что и привело к увеличению ее плотности. Во-вторых, пики на графиках можно связать с наступлением критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Однако, известно, что ККМ появляется при определенной концентрации, дальнейшее увеличение которой не приводит к существенному увеличению стабильности. Тем не менее, если сопоставить рис. 3.2.1 и 3.2.2, то становится видно, что увеличение концентрации, равно как и ее уменьшение приводят к уменьшению стабильности пены приготовленной на основе «Неопор» и ПО 6ТС. Следовательно, взаимосвязи изменений стабильности с наступлением ККМ нет.
Факторы стабильности СПБС и основы получения безавтоклавного СПБ
Основной целью данной работы является получение сверхлегкого пенобетона средней плотности 100 кг/м3 на рядовом цементе марки 400 без использования добавок. Работа направлена, прежде всего, на оценку взаимосвязи структурных и прочностных показателей материала, поскольку по нашему мнению при такой низкой плотности структура пенобетона имеет большее значение, чем при объемном весе материала выше 300 кг/м3. Это связано с малым количеством цемента, участвующего в формировании матрицы материала. До сих пор получение безавтоклавного пенобетона марки D100 считалось невозможным. Одной из причин такого мнения явилось стремление получить материал с меньшим количеством воды, содержащейся в ПБС. Это достигалось за счет получения высокократных пен с низким содержанием жидкости. Поэтому на начальном этапе нами было проверино влияние плотности пены на стабильность СПБС. Для эксперимента был взят цемент марки 400 Ульяновского цементного завода, пена на основе пенообразователя ПО-6ЦТ и ТЭАС, водопроводная вода. Смешение СПБС производилось в стандартной сферической чаше, стандартной лопаточкой. Температура воздуха в помещении в момент испытаний находилась в пределах 20-25 С. Сначала-готовилось цементное тесто В/Ц =0,35 - 0,4. Такое В/Ц позволяет получить достаточно однородную смесь цементного теста с пенами как высокой так и низкой плотности. Полученное тесто смешивалось с пеной при помощи лопаточки. Необходимо отметить, что смешение производилось плавно без резких движений, чтобы обеспечить минимальные потери пены. Стабильность СПБС оценивалась по степени ее оседания в формах кубах размером 10 10 10 см. и 20 3 20 см. Результаты представленные в таблице 4.2.1 получены с использованием пенообразователя ПО-6ЦТ, а расход компонентов рассчитан на 1 л. пенобетонной смеси.
Из данных таблицы 4.2.1 следует, что при увеличении плотности пены происходит увеличение ее стабильности. Но при изменении плотности пены происходит изменение содержания в ней ПАВ, а следовательно и 9tucn. На стабильность СПБС влияет именно 9fucn, а не ее плотность поскольку увеличение плотности пены с параллельным увеличением содержания в ней ПО привело к еще большему расслоению смеси. Однако, увеличение плотности пены до 90 г/л при постоянном объеме ПО не снижает стабильность и в этом случае надо руководствоваться результатами рис. 3.3.5. Увеличение В/Ц цементного теста с 0,35 до 0,4 также приводит к снижению стабильности СПБС. При увеличении содержания воды в цементном тесте увеличивается время наступления насыщения, а следовательно процесса кристаллизации новообразований и формирования микроструктуры. Вероятно, процесс насыщения посредством изменения физических параметров системы, как-то температура и меньше объем, приводит к нарушению слоя ПАВ на границе раздела воздух-вода и к частичной коалесценции СПБС.
На рис. 4.2.1 изображены образцы пенобетона соответствующие составам 1, 2, 3 табл. 4.2.1. На рис. 4.2.2 показаны области, выделенные на рис. 4.2.1 увеличенные в 6 раз, являющиеся наиболее характерными и позволяющие проанализировать процесс разрушения СПБС. истечения жидкости из верхних слоев СПБС и нарушения слоя ПАВ. Вероятно, воздух находящийся внутри пор выходит в том месте, где ячейка не бронирована частицами цементного теста. Скорее всего, воздух в данном случае выходит через боковые стенки поры, которые закрываются по мере ее оседания, что не позволяет выйти оставшемуся воздуху. Как можно заметить процесс потери воздуха происходит через боковые стенки формы и через поверхность. Об этом свидетельствует характер проседания смеси. Если же прорыв ячейки происходит в верхней ее части, то воздух из нее выходит, полностью и увеличивается толщина межпоровой перегородки, либо образуются области изображенные белыми квадратами. Если сравнить верхнюю и нижнюю части образцов 1, 2 и 3 рис. 4.2.1, обозначенные на рис. 4.2.2 как 1в 1н, 2в 2н и Зв Зн соответственно, то видна схема оседания СПБС, из которой следует, что разрушение начинается в верхних слоях смеси по мере истечения избытка жидкости. Как следует из табл. 4.2.1, содержание воды в смеси превышает содержание цемента более чем в два раза. И, тем не менее, структура 2н, 1в и 1н (рис. 4.2.2) равномерна с четкими границами межпоровых перегородок. Поры в нижней части образцов практически не теряют своей формы. Следовательно, можно предположить, что высота столба СПБС влияет на его стабильность не так, как было принято считать ранее. Увеличение высоты слоя СПБС может способствовать более длительному сохранению количества влаги в средних слоях смеси, а также за счет создаваемого давления на нижние слои способствовать водововлечению жидкости в верхние слои, как это было замечено при испытании пен (Глава 3).
Опытно-промышленное внедрение технологии СПБ
Исходными материалами служили: портландцемент Н-Ульяновского цементного завода ПЦ400Д20, пенообразователь ПО-6ЦТ и вода. Перемешивание цементного теста производилось в растворосмесителе принудительного действия с горизонтальным валом. Рабочий объем смесителя составлял 200 л. Приготовление цементного теста длилось в течение пяти минут, после чего в смеситель загружалась пена. Время перемешивания пены с цементным тестом составило десять минут. После смешения определялась плотность пенобетонной смеси. СПБ твердел в нормальных условиях в течение 28 суток. Готовые изделия имели ровную поверхность без сколов и трещин. Составы и физико-механические свойства СПБ представлены в табл. 5.2.1.
Расчеты технико-экономической эффективности показали, что производство и применение СПБ позволяет более чем в два раза снизить стоимость квадратного метра наружной стены в сравнении с применением минераловатных плит.
СПБ был успешно получен на заводе ЖБИ г. Волжска и выдержал испытания по прочности. 3. По результатам проведенных исследований был разработан технологический регламент для завода ЖБИ г. Волжск. 1. С целью разработки технологии получения (производства) «сверхлегкого» теплоизоляционного пенобетона плотностью 100-200 кг/м на рядовых портландцементах и промышленных пенообразователях осуществлен расчет основных параметров его структуры на геометрических моделях и экспериментально исследованы закономерности образования и свойств водных пен, структура и свойства пенобетонных смесей и пенобетона. 2. На базе ромбододекаэдрической модели ячеистой структуры, обеспечивающей максимальную упаковку замкнутых пор, проведен расчет основных структурных параметров пенобетона (удельной поверхности пор, толщины межпоровых перегородок и их площади по сечению материала), а на их основе - прочность пенобетона, с учетом его плотности, прочности и плотности материала матрицы. 3. Экспериментально исследованы структурно-технологические характеристики водных пен, полученных на основе синтетических и белковых пенообразователей. Выведена формула расчета толщины его слоя на поверхности воздушных пор, установлена зависимость пенообразования от концентрации ПО в растворе и скорости вращения мешалки. Предложен двухстадийный способ приготовления пен, обеспечивающий максимальное значение коэффициента использования пенообразователя и максимальную стабильность пены. 4. Предложен ускоренный способ определения стабильности пен по их подвижности, точность которого составляет 90-95%. Разработан метод определения оптимальной плотности водных пен, обеспечивающих стабильность пенобетонной смеси и прочность цементных перегородок в отвердевшем ячеистом материале. Оптимизированы основные параметры пен на промышленных пенообразователях для получения «сверхлегкого» пенобетона. Исследована структура и стабильность пенобетонной смеси, выявлен и обоснован эффект самозалечивания дефектов межпоровых перегородок. Предложены и экспериментально проверены оптимальные составы пенобетонных смесей для «сверхлегкого» пенобетона и режимы их приготовления. Установлена возможность регулирования размеров пор пенобетонной смеси путем изменения плотности водной пены и дисперсности цемента. Выявлен положительный эффект применения более плотной пены на ПО-6ЦТ (100 кг/м вместо 70 кг/м ), связанный с улучшением структуры пенобетона и повышением его прочности. На основе расчета и экспериментальных данных определена оптимальная толщина межпоровой перегородки для «сверхлегкого» пенобетона, при которой достигается его наибольшая прочность, а именно: 20-30 мкм при плотности цементного камня 2600 кг/м3. Определен оптимальный средний диаметр пор в пенобетоне плотностью 100, 150 и 200 кг/м3, который равен 1,5-2; 1-1,5 и 0,75-1 мм, соответственно. Обнаружен положительный эффект увеличения среднего диаметра пор «сверхлегкого» пенобетона, вызывающего повышение прочности и снижение усадки материала. Определены основные технические показатели «сверхлегкого» пенобетона плотностью 100,150 и 200 кг/м : прочность при сжатии 1; 2,5; 5,1 кг/см соответственно; Х= 0,045; 0,055 и 0,07 Вт/мС; сорбционная влажность 8; 7,7 и 9%, водопоглощение 30, 28 и 25%, паропроницаемость 0,4; 0,34 и 0,3 мг/м- ч- Па. 7. Разработан технологический регламент на производство безавтоклавного пенобетона, учитывающий практические результаты исследований, реализованный на заводе ЖБИ ассоциации «Унистрой» (г. Волжск, Марий Эл). Выпущена опытная партия «сверхлегкого» пенобетона плотностью 150-200 кг/м3, свойства которого соответствуют разработанным образцам. Экономический эффект от замены теплоизоляционного слоя из минераловатной плиты (р=150 кг/м3) на «сверхлегкий» пенобетон (р=200 кг/м ) в 1 м стены жилого здания составляет 170 р/м .
