Структурно-технологические основы получения "сверхлегкого" пенобетона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Кондратьев, Василий Викторович

• Кондратьев, Василий Викторович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кондратьев, Василий Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛЕГКИЕ ПЕНОБЕТОНЫ. МАКРОСТРУКТУРА

И СВОЙСТВА.

1.1. Пена, как структурообразующий компонент пенобетона.

1.1.1. Оценка существующих пенообразователей и влияния различных факторов на поведение пены

1.1.2. Влияние пенообразователей на свойства цементного теста и цементного камня.

1.1.3. Формирование структуры пен и ее разрушение.

1.1.4. Стабильность пен и способы ее повышения.

1.1.5. Методы определения стабильности пен, их достоинства и недостатки.

1.2. «Сверхлегкий» пенобетон - эффективный теплоизоляционный материал.

1.2.1. Пенобетонная смесь - как трехфазная метастабильная система.

1.2.2. Влияние интенсификации процессов твердения цемента на стабильность пенобетонной смеси и свойства пенобетона.

1.2.3. Воздействие технологических факторов на свойства пенобетонных смесей и пенобетонов.

1.2.4. Макропористая структура - как показатель, определяющий физико-механические свойства пенобетона.

1.2.5. Теплопроводность ячеистых бетонов и влияние на нее различных факторов.

Глава 2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕН.

3.1. Расчет структурных характеристик ячеистых материалов на базе геометрических моделей.

3.2. Анализ характеристик пен режимы получения и способы увеличения их стабильности.

3.3. Исследование влияния свойств пен на их стабильность.

Выводы.

Глава 4. «СВЕРХЛЕГКИЙ» ПЕНОБЕТОН - ОСНОВЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ.

4.1. Расчет прочности «сверхлегкого» пенобетона.

4.2. Факторы стабильности СПБС и основы получения безавтоклавного СПБ.

4.3. Влияние компонентов СПБС на макроструктуру безавтоклавного СПБ.

4.4. Влияние структуры «сверхлегкого» пенобетона на его физико-механические характеристики.

Выводы.

Глава 5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СПБ.

5.1. Расчет технико-экономической эффективности СПБ.

5.2. Опытно-промышленное внедрение технологии СПБ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурно-технологические основы получения "сверхлегкого" пенобетона»

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.

Говоря о структуре ТИМ 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/м3 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

Материалы (свойства) Rok Мпа X Вт/мК Средняя плотность, кг/м

30 50 100 250 300 350 400 450

Перлитобетон на латексе - - - L0 0,093 - - -

Перлитобетон на жидком стекле - - - - 0J 0,093 - 0,85 0,11

Перлитобетон на цементе, гипсе, силикатном и магнезиальном вяжущем - - - 0*3 0,069 0,45 0,075 0,6 0,081 L0 0,093

Перлитобитумный бетон - - - 0,075 0,25 0,087 (L3 0,099 0,35 0,11 м 0,122

Перлитофосфогелевый бетон - - - 0,075 0,081 - -

Керамзитобетон крупнопористый на гипсе или цементе - - - - - - 0,5 0,139

Материалы (свойства) R™ Мпа X Вт/мК Средняя плотность, кг/м3

30 50 100 250 300 350 400 450

Полистиролбетон - - - 0,3 0,069 0,6 0,081 - Li 0,104

Мипорбетон - - - - м 0,128 - L0 0,139

Ячеистый бетон - - - - LQ 0,093 - L5 0,104

Пенополиуретан с керамзитом (Болгария, Германия) - - - - - - - L6 0,083

Пенополиуретан с керамзитом (Германия -Байер) - - - - - - ■ 1А 0,083 L7 0,084

Полиэфирный пенопласт с керамзитом (Франция) - - - - ш 0,145 - -

Цемент + молотый песок + пенополистирол (Германия) - - - - и. 0,162 - -

Пенополимербетон на фурановых смолах и полиизоционатах (НИИЖБ) - - - - 2J3 0,069 - м 0,104

Минераловатные изделия - 0,035 0J. 0,04 - - -

Пенополиуретан - 0,25 0,03 - - - - -

Пенополистирол (на основе бисерного полистирола) 0,16 0,04 0*2 0,04 - - - - -

Экструзионный пенополистирол (Стиродур) - 0J 0,03 - - - - -

Пеноизол - 0А 0,04 0,23 0,045 - - - -

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 присуши 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/м3. 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 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

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Кондратьев, Василий Викторович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

С целью разработки технологии получения (производства) «сверхлегкого» теплоизоляционного пенобетона плотностью 100-200 кг/м3 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.

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.

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.

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/м3 вместо 70 кг/м3), 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

3 2 плотностью 100,150 и 200 кг/м : прочность при сжатии 1; 2,5; 5,1 кг/см соответственно; А= 0,045; 0,055 и 0,07 Вт/м°С; сорбционная влажность 8; 7,7 и 9%, водопоглощение 30, 28 и 25%, паропроницаемость 0,4; 0,34 и 0,3 мг/м- ч- Па.

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

X О сверхлегкий» пенобетон (р=200 кг/м ) в 1 м стены жилого здания составляет 170 р/м .

126

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кондратьев, Василий Викторович, 2003 год

1. Мишин В.М., Соков В.Н. Теоретические и технологические принципы создания теплоизоляционных материалов нового поколения в гидротеплосиловом поле. / М., Молодая гвардия; 1999, 352 с.

2. Рекитар Я.А. Эффективность и перспективы применения прогрессивных материалов в строительстве. / М., Стройиздат; 1978, с. 11-14.

3. Брюшков А.А. Газо- и пенобетон. / М., Институт прикладной минералогии; 1931, 39 с.

4. Горлов Ю.П. Меркин А.П. Устенко А.А. Технология теплоизоляционныхматериалов. М. Стройиздат. 1989, 340 с.

5. Баранов А.Т., Макаричев В.В. Состояние и перспективы развития и производства и применения изделий из ячеистых бетонов с пониженной объемной массой.-М.: Стройиздат, 1974, 112с.

6. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и применения. М. Химия. 1983.-264с.

7. Тарат Э.Я. Пенный режим и пенные аппараты. J1. Химия. 1977. 137 с.—

8. Котов А.А. и др. Применение высокократной пены для тушения пожаров.- М.: Стройиздат, 1972, 113 с.

9. Сквирский Л.Я., Майофис А.Д., Абрамзон А.А. В кн.: Физикохимические основы применения ПАВ. Ташкент, Фан, 1974, с. 187 -201.

10. Пенный режим и пенные аппараты. / Под ред. И.П. Мухинова и Э.Я. Тарата. Л.: Химия, 1977, 304 с.

11. Трапезников А.А. В кн. Физико-химические основы применения ПАВ. Ташкент, Фан, 1977, с. 221-238.

12. Ребиндер П.А. Физико-химия моющего действия. М.: Пищпромиздат, 1935,230 с.13.