Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о проблеме повышения теплозащитных качеств ограждающих конструкций 12
1.1. Состояние развития производства легких бетонов 12
1.2. Формирования структур легких бетонов 16
1.2Л. Общие положения и классификация создания пористых структур 16
1.2.2. Пути формирования структур легких бетонов 18
1.3. Выявление проблемы, цели и постановки задач исследований 28
Глава 2. Материалы для получения легких бетонов на порисованном вяжущем и методы проведения экспериментальных работ 33
2.1. Обоснование и выбор сырьевой базы для изготовления легких бетонов на поризованном вяжущем 33
2.2. Основные характеристики и методы исследований исходных 9 материалов, использованных для приготовления легкого бетона на поризованном вяжущем , 38
2.2.1. Вяжущие вещества 39
2.2.2. Кремнеземистые материалы 40
2.2.3. Гранулированное пеностекло 43
2.2АПорообразователи и корректирующие добавки 45
2.2.5. Вода 47
2.3. Области и методы исследований пеностеклобетона 48
Глава 3 . Получение и исследование пеностеклобетона 63
3.1.. Получение пеностеклобетонных смесей, особенности формирования и совершенствования структуры ячеистого бетона на пористом заполнителе , 63
* 3.2. Влияние рецептурно-технологических факторов на свойства пеностеклобетона и математическое планирование эксперимента 65
3.3 Исследование процессов структурообразования пеностеклобетона.. 75
3.3.1. Микроскопические исследования пористости структуры пено- стеклобетона 75
3.3.2. Определение прочности сцепления зоны контакта «цементный камень-% заполнитель» 78
3.3.3. Исследования фазового состава пеностеклобетона..., 82
3.3.4. Ртутная порометрия , 101
3.4. Технологические и технические требования к легкому бетону на поризованном вяжущем 104
3.5. Разработка рекомендуемых технологических схем производства пеностеклобетонных блоков 110
3.6. Исследование физико-механические свойств пеностеклобетона 118
3.6.1. Определение средней плотности материала 118
3.6.2. Определение характеристик пористости материала 120
3.6.3. Определение прочностных характеристик материала 121
3.6.4. Определение влажности и водостойкости материала 128
3.6.5. Определение коэффициентов теплопроводности и морозостойкости материала 131
Выводы по главе 3 133
Глава 4. Технологии изготовления пеностеклобетона 134
4.1. Опытно-производственная проверка результатов исследования 134
4.2.Теплотехническая оценка блоков из пеностеклобетона 138
4.2.1. Описание технических решений и оценка теплозащитных качеств ограждающих конструкций 139
4.2.1.1. Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции 139
4.2.1.2. Описание технических решений и результаты оценки приведенного сопротивления теплопередаче отдельных (рекомендуемых) вариантов применения пеностеклобетона в ограждающих конструкциях 142
4.2.1.3 Описание технических решений и результаты оценки приведенного » сопротивления теплопередаче вариантов применения пенобетона с разной средней плотностью и степень заполнения его гранулами пе ностекла (по моделям) 144
4.2.1.4. Описание пеностеклобетонных образцов и результаты оценки приве денного сопротивления теплопередаче (по моделям) 167
. 4.2.2. Оценка температурного режима и результаты расчетов 194
4.2.2.1. Результаты расчета стены изпено- газобетона 195
(* 4.2.2.2. Результаты расчета стены из кладки лицевого многощелевого кирпича 202
4.2.2.3. Результаты расчета стены из пеностеклобетона 204
4.2.2.4. Результаты расчета стены из пеностеклобетонных блоков облицованных кирпичом 206
4.3. Оценка экономической эффективности и области применения пеностеклобетона 215
Выводы по главе 4 222
Основные результаты и выводы 223
Список используемой литературы 226
Приложения
- Состояние развития производства легких бетонов
- Обоснование и выбор сырьевой базы для изготовления легких бетонов на поризованном вяжущем
- Получение пеностеклобетонных смесей, особенности формирования и совершенствования структуры ячеистого бетона на пористом заполнителе
- Опытно-производственная проверка результатов исследования
Введение к работе
Новые экономические условия в стране предопределяют новый подход к выбору эффективных строительных материалов для жилищного строитель ства. Проблема поиска новых эффективных строительных материалов актуа лизировалась принятым Минстроем РФ решением о поэтапном повышении приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен зданий в 1,4 2,5 раза (изменение № 3 к СНиП Н-3-79 "Строительная теплотехника").
Введение в стране новых региональных энергосберегающих строительных норм делает многие традиционные стеновые материалы и конструкции стен технически и экономически неприемлемыми.
Возможны два направления работ по снижению теплопотерь строительных материалов:
1. Увеличение толщины теплоизоляции с учетом новых нормативов при строительстве, реконструкции и ремонтов объектов;
2. Улучшение теплозащитных свойств и долговечности самих теплоизоля t ционных материалов и конструкций.
Одним из путей решения требований второго этапа СНиП Н-3-79 "Строительная теплотехника" для регионов средней полосы России и северных районов является использование многослойных стеновых изделий и конструкций с эффективными утеплителями. Особенно это актуально для рай онов Сибири и севера, отличающихся большим градиентом влажности и температур как в течение отопительного периода, так и в межсезонье, когда температура наружного воздуха переходит неоднократно через О °С.
За последние 20 лет в нашей стране наиболее широкое распространение получили трехслойные конструкции. Отличия таких конструкций от одно 1 слойных заключается в возможности обеспечения повышенного сопротивле ния теплопередаче панели путем применения легких высокоэффективных утеплителей. До настоящего времени производство многослойных панелей продолжает оставаться многооперационным, что обуславливает повышенные стоимостные и трудовые затраты, приводит к увеличению расхода металла на 25 - 30% по сравнению с однослойными панелями, и повышение класса бетона наружных слоев панели до М 250 (В 20).
Другим путем выполнения требований второго этапа СНиП П-3-79 t "Строительная теплотехника" является разработка и использование новых высокоэффективных теплоизоляционных материалов, что позволяет сделать значительный качественный скачок в строительстве, получить значительную экономию энергоресурсов и улучшить комфортность зданий.
В сложившейся ситуации легкий бетон сохраняет позиции весьма эф фективного и одного из самых экономичных стеновых материалов. Основные физико-механические и теплоизоляционные свойства легкого бетона обусловлены высокоразвитой пористой структурой материалов, которую полу чают двумя способами: формированием структуры бетона с помощью газопенообразователей и (или) введением пористых заполнителей.
Ячеистый бетон, по сравнению с другими видами легких бетонов, наиболее перспективен для строительства, поскольку обладает универсальными эксплуатационными свойствами и низкой теплопроводностью, кроме того, микроклимат в доме из ячеистого бетона близок к микроклимату деревянного дома.
В России суммарная мощность производств по выпуску изделий из ячеистых бетонов (в основном автоклавного твердения) составляет порядка 3 млн. м3 в год, из которых более половины предназначено для изготовления мелких стеновых блоков. Годовой объем изделий из неавтоклавного ячеистого бетона (мелкие стеновые блоки) не превышает 10% указанного выпуска.
Однако существенным преимуществом при неавтоклавном производстве является исключение или существенное сокращение помольного оборудования.
Это позволяет использовать материалы, полученные при переработке местного вторичного сырья, что имеет важное значение, т.к. способствует снижению объемов не перерабатываемых отходов, нарушающих экологическую обстановку в регионе, а также снижает потребности в специально вырабатываемом сырье. При формовании пористой структуры газобетонов определяющим яв • ляется строгое выдерживание определенных зависимостей в системе реологические характеристики смеси - температурные параметры массы динамика газовыделения". В этой системе жестко взаимосвязаны более технологических факторов, что делает процесс управления режимом формирования пористой структуры достаточно сложным, а в условиях малого производства, и совсем проблематичным.
В отличие от этого, технология изготовления пенобетона более проста.
Свойства пенобетона характеризуются меньшей зависимостью процесса по ризации и конечных свойств материала от внешних факторов. Пористая структура полностью формируется в очень короткий отрезок времени в условиях интенсивных динамических воздействий (механического перемешивания). Поэтому температура окружающей среды, точность дозировки компонентов, в том числе строгое выдерживание водотвердого отношения, постоянство свойств вяжущего и кремнеземистого компонента оказывают влияние на свойства материала, но менее существенное, чем для газобетонов. Анизо тропия свойств материала совсем незначительна даже при больших высотах формования. В межпоровых перегородках нет напряжений, обязательно возівникающих в материале при поризации вспучиванием массы.
В настоящее время, повышенное значение приобретают вопросы улучшения теплофизических характеристик ячеистых бетонов (снижениясредней плотности, выбора сырьевых компонентов и т.д.) и совершенствование технологии изготовления изделий из них. В связи с этим автором предложено формирование пористой структуры бетона путем совмещения двух высокопористых материалов: неавтоклавного ячеистого пенобетона и круп ного заполнителя сферической формы гранул (пеностекла). Дополнительно к этому изучалась возможность использования отходов местных производств при формировании структуры композита.
В ходе диссертационной работы были определены: Объект исследования диссертационной работы - легкие бетоны на пористых заполнителях с минеральной поризованной связкой. Предмет исследования диссертационной работы — процесс модифицирования неавтоклавного пенобетона за счет введения стеклофазного наполнителя и заполнителя (золы-уноса ТЭС и гранулированного пеностекла) и механизм омоноличивания.
Из вышеизложенного автором было сделано предположение о том, что при определенных технологических операциях может быть достигнут эффект улучшения не только деформативных свойств и снижения коэффициента теплопроводности нового вида бетона - пеностеклобетоиа (ПСБ) по сравнению с традиционными легким и ячеистым бетонами, но и значительно снижен расход цемента, за счет использования золы-уноса ТЭС и ввода крупного заполнителя (гранулированного пеностекла). Предлагаемая автором технология изготовления не требует значительной реконструкции существующих предприятий и заводов ЖБИ и может быть успешно внедрена в широком масштабе.
Научная новизна работы:
- теоретически обоснован и экспериментально разработан состав композиционного цементного ячеистого бетона неавтоклавного твердения с применением высокопористого заполнителя - гранулированного пеностекла с повышенными прочностными и теплоизоляционными свойствами;
- экспериментально определены и обоснованы функциональные зависимости основных физико-механических свойств (плотность, прочность, теплопроводность, водопоглощение и др.) от крупности заполнителя (гранулированного пеностекла) и средней плотности ячеистой смеси (пенобетонной смеси);
- экспериментально определены степень влияния средней плотности пенобетонной смеси и крупность заполнителя на характер разрушения пеностеклобетоиа и установлено, что: - при средней плотности пенобетонной смеси менее 700 кг/м разрушение пеностеклобетонных образцов происходит по зоне контакта "пенобетон - пеностекло", а при средней плотности более 750 кг/м3 разрушение пеностеклобетонных образцов происходит по гранулам заполнителя — пеностеклу;
- максимальные прочностные показатели (2,25 - 3,50 МПа) получены при использовании пенобетонной смеси средней плотностью 750 — 950 кг/м и крупностью заполнителя 10-20 мм при объемной концентрации 0,46 — 0,52, которые обеспечивают среднюю плотность пеностеклобетона в сухом состоянии 450 - 600 кг/м с коэффициентом теплопроводности 0,09 - 0,112 Вт/ (м -°С);
- увеличение крупности вводимого заполнителя более 20 мм и уменьшение средней плотности ячеистой смеси приводит к понижению прочности пеностеклобетона;
- рассчитаны математические зависимости для подбора состава пеностеклобетонных смесей, позволяющие получать бетон со средней плотностью 450 - 600 кг/м3 и прочностью 1,5 - 3,5 МПа.
- теоретически обосновано и практически подтверждено положительное влияние гранулированного пеностекла на основные свойства ячеистых смесей - пенобетона (а именно снижение средней плотности, коэффициента теплопроводности, водопоглощения и увеличение прочностных характеристик);
- обоснована технология приготовления пеностеклобетонных смесей, которая заключается в раздельном приготовлении цементного теста и пенообразователя, с получением затем пенобетонной смеси требуемого качества, и последующем введении в неё пористого заполнителя - гранулированного пеностекла.
Практическое значение работы состоит в получении композитного цементного ячеистого бетона и штучных изделий из него путем омоноличи-вания гранул пеностекла. Впервые разработаны составы пеностеклобетона с улучшенными пока • зателями теплофизических и физико-механических свойств, за счет монолитности минерального поризованного вяжущего и крупного заполнителя, по зволяющего сократить расход минерального вяжущего и использовать отходы местных производств (зола - уноса ТЭС, бой тарного и строительного стекла, отходы мясо- и птицефабрик), что способствует улучшению экологической обстановки в городе.
Определена область применения нового строительного материала в городе ком и сельском строительстве в виде блоков, перегородок и других строительных изделий, на базе заводов, где производиться пенобетон.
Обоснована и разработана простая и надёжная технология получения пеностеклобетона, которая включает в себя следующие операции:
- получение пены и нагнетание её в смеситель;
- получение пенобетонной смеси;
- смешивание пенобетонной смеси с заполнителем;
- формование пеностеклобетонных изделий.
Результатом проведения научных исследований являются разработки проектов технических условий на получение стенового материала, названного пеностеклобетоном и технологического регламента на его производство.
Промышленная применимость разработки, изобретательский уровень и на учная новизна подтверждена получением патента на изобретение №2255920 опубликованного 10.07.2005 г. бюл. № 19 под названием - Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона.
Реализация результатов работы. Была выпущена экспериментальная партия пеностеклобетона на ОАО "Омский комбинат строительных конструкций" (ОКСК г. Омск) средней плотностью в сухом состоянии 450 • 600 кг/м . Проведено промышленное опробование разработанных предложений по получению пеностеклобетонных блоков.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура" (2003 г.) и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии в 2000 - 2004 гг.
Достоверность научных выводов и результатов исследования подтверждается корректностью применения апробированного математического аппарата с привлечением статистических методов обработки результатов экспериментов; количеством образцов, обеспечивающим внутрисерийный коэффициент вариации; согласованностью результатов теоретических положений с данными, полученными автором экспериментальным путем; показателями производственного внедрения; проведением экспериментов на современном испытательном оборудование, а также подтверждается протоколами испытаний материала (ПСБ) независимой испытательной лабораторией ООО "ОмскстройЦНИЛ "и испытательного центра "Стройтест - СибАДИ".
На защиту автор выносит:
1. механизм формирования структуры монолитности легкого бетона - пе-ностеклобетона;
2. рецептуры композиционного цементного ячеистого бетона неавтоклавного твердения с применением пористого заполнителя — гранулированного пеностекла, с улучшенными физико-механическими и теплофизи-ческими показателями;
3. результаты исследований основных физико-механических, физико-химических характеристик структуры пеностеклобетона и зоны контакта "бетон — заполнитель";
4. технологические схемы приготовления пеностеклобетона, изделий из него и область их применения.
Состояние развития производства легких бетонов
В настоящее время в России на отопление существующих зданий расходуется около 20% всех потребляемых энергоресурсов [86,88,192,195]. Вновь построенные здания в средней полосе России требуют на отопление 1м2 площади в среднем около 500 кВт ч, в Германии- 250, в Швеции и Фин ляндии- 135. На содержание 1м общей площади жилого здания в России тратится 84 кг условного топлива в год, а в Швеции, к примеру, 27 кг [17,193,227,254]. Связано это во многом с конструкцией зданий. Объём малоэтажного жилого фонда в России не превышает 20% от всего фонда, в перспективе он должен вырасти до 70-80%, т.е. приблизится к структуре жилищ в развитых странах мира. Требования к теплоизоляционным свойствам ограждающих конструкций в нашей стране уступают европейским в несколько раз [84, 87,147,152].
Введение в действие изменений СНиП И-3-79 "Строительная теплотехника" [71,201] предусматривает существенное повышение теплозащитных качеств ограждающих конструкций, как вновь строящихся, так и реконструируемых зданий [51]. С 01.07.1996г. величина требуемого сопротивления теплопередаче стеновых конструкций жилых зданий для г. Омска увеличива ется в 1,7 раза (с 1,13 м2 С/Вт до 2,1 м2 С/Вт - первый этап до 01.01.2000 г.), с 01.01.2000 г. - в 3,5 раза (до 3,67 м20С/Вт - второй этап). В этих условиях 1 толщину стен из керамзитобетона со средней плотностью 950 кг/м следует увеличить с 390 мм до 500-700 мм, а из кирпича со средней плотностью 1500 кг/м с 510-640 мм до 1000-1200 мм, что с экономической точки зрения не реально. Поэтому настоятельно требуются стеновые конструкции с ис пользованием высокоэффективных и долговечных теплоизоляционных мате риалов [5,84,86-88,153].
Опыт стран Западной и, особенно Северной Европы и США подтвер ждает целесообразность применения пенопластов, волокнистых утеплителей и пористых заполнителей. В этих странах до 60% ограждающих конструкций зданий возводится с применением волокнистых утеплителей и примерно 20% с использованием пенопластов [192,193,227,254].
Отличительной особенностью климата России, и особенно Сибири, являются холодные и продолжительные зимы почти на 40% её территории, считающейся неприемлемой для нормального проживания. Так, в крупных городах, расположенных между 50-й и 60-й параллелями, в России средняя температура наиболее холодного месяца находится в интервале -8...-28 С, а в Западной Европе -4,5...+2 С; продолжительность отопительного периода соответственно составляет 200...250 и 100...180 дней. Поэтому в России то пливо - энергетические затраты в несколько раз превышают аналогичные по казатели Западной Европы. Кроме того, в нашей стране для ограждающих конструкций используют в основном легкие бетоны на керамзитовом гравии. і Выпуск эффективных теплоизоляционных материалов (ячеистых бетонов, полимерных и волокнистых материалов, т.п.) в США, Германии, Швеции, Финляндии в расчете на одного жителя в 5.. Л раз выше, чем в России [17]. В »
России основными утеплителями являются минеральная вата и изделия на её основе, а также пористый заполнитель в виде керамзитового гравия [50,84,162,240].
Расчетные конструктивно-типологические потери тепла (100%) состоят из потерь через окна и двери (33%); потери через чердак и перекрытия над тех подпольем (22%); потери через стены (45%). Потери тепла в индивиду альных жилищах в 2,5...4 раза выше, чем в квартирах многоэтажных домов. [ Следовательно, первостепенной задачей современного строительного мате риаловедения является создание экономически эффективных, экологически и пожаробезопасных материалов, с заранее заданными свойствами и рацио нальными технологиями их получения [84,86,152-155,251].
В настоящее время наибольшее применение имеют легкие бетоны на минеральных вяжущих и неорганических пористых заполнителях [27,28,54, 56,57,92,96,131,141,171], причем в последние годы предпочтение отдается поризованным легким бетонам на неорганических пористых заполнителях с добавлением воздухововлекающих добавок, пено - или газообразователей [11,12,22,26,46,88,92-98,131,141,144,156,171,196,197,199].
Исследования, проведенные в течение последних десятилетий, охватывают комплекс вопросов, связанных с изучением свойств легких бетонов на пористых заполнителях [4,26,57,92-94,125,170-172,196-197,199]. Известно, что использование пористых заполнителей в бетонах приведет к уменьшению плотности материала и повысит его теплозащитные свойства [45,96-98,102,260,261], и это является очевидным преимуществом для легкого бетона. Положительный эффект от перехода на заполнители пористого строения достигается также в результате улучшения связи заполнителя с вяжущим, обусловливаемого химическими, физико-химическими и чисто физическими факторами в зоне контакта. Именно относительно лучшая связь заполнителя с вяжущим в легком бетоне и сохранение этой связи, и является фактором, обеспечивающим возможность получения прочного, плотного и долговечно-го материала, несмотря на пористое строение самого заполнителя [18,19, 53,58,113,116,126,131,136,194,274]. Большинство традиционных ограждающих конструкций, освоенных строительной промышленностью г. Омска, имеют недостаточные теплоза щитные качества и не соответствуют изменившимся требованиям [5, 178,201,233].
Обоснование и выбор сырьевой базы для изготовления легких бетонов на поризованном вяжущем
Обоснование и выбор сырьевой базы для изготовления легких бетонов на поризованном вяжущем В настоящее время особое значение в строительстве приобрела проблема матери ал о- и энергосбережения. Для решения вопросов снижения тепло-потерь при эксплуатации зданий и сооружений необходимо иметь эффективные теплоизоляционные материалы [40,118,124,152,192,193,204,227,249,254].
Проблема снижения материалоемкости строительства в северных районах России взаимосвязана с другими технико-экономическими проблемами: научно-техническим прогрессом и совершенствованием размещения и развития материально-технической базы, определением областей и форм эффективного применения в регионе строительных изделий и конструкций из различных взаимозаменяемых материалов. Поэтому успешное решение ее возможно только при комплексном подходе и надлежащем учете всех факторов, имеющих к проблеме непосредственное отношение [84,103,114,153,154,251].
В Омской области эта проблема дополняется необходимостью поиска и внедрения эффективных материалов на основе местной сырьевой базы.
Действующие в настоящее время предприятия на территории г. Омска и Омской области в основном производят ячеистые бетоны с использованием кварцевых песков с насыпной плотностью 1200-1500 кг/м .
Научно-исследовательские разработки, проведенные в последнее время, доказали возможность применения активных минеральных наполнителей (в нашем случае золы-уноса ТЭС), микрокремнезема, тонкомолотых металлургических шлаков, цеолитов и др. материалов и в качестве стабилизаторов пористой структуры [90,93,132,158,159,246,271].
Наличие большого количества отходов от сжигания бурых и каменных углей, отходов предприятий различных видов промышленности, наличие различного рода стеклобоя и т.п. делает возможным их использование для производства эффективных теплоизоляционных материалов [45,50,113,181, « 204].
Использование золы в качестве заполнителя в ячеистом бетоне позволяет: экономить цемент до 10 % и природные заполнители; улучшить удобоук-ладываемость смеси; повысить коррозионную стойкость; снизить тепловыде-ление и себестоимость 1 м бетона [134,142,168,179,184].
В Омске основными видом топлива для ТЭС-2 является кузнецкий уголь, а для ТЭС-4 и ТЭС-5 - экибастузский. Площадь золоотвалов с каждым годом увеличивается, что неблагоприятно сказывается на экологической обстановке города и области. Таким образом, проблема утилизации золошлако-вых отходов и продуктов газоочистки ТЭС из отрослевой задачи превратились в межотраслевую, государственную. Использование в народном хозяйстве ежегодных выходов золошлаковых отходов (АК "Омскэнерго" - 2,5 млн. тонн в год) позволит тепловой энергетике значительно уменьшить капитальные затраты на строительство и эксплуатационные расходы на содержание в золоотвалов ТЭС и тем самым снизить себестоимость электрической и теп ловой энергии. Немалую прибыль получат и предприятия — потребители этих побочных продуктов ТЭС.
Технологический проект, выполненный уральским "ПромстройНИИ-проект" для акционерной компании "Омскэнерго", позволяет использовать золу сухого отбора и отвальную для изготовления строительных материалов, не изменяя технологического оборудования производств ЖБИ.
Научно-исследовательские разработки, проведенные в последнее вре-мя, доказали возможность применения активных дисперсных минеральных наполнителей, древесных опилок, микрокремнезема, тонкомолотых метал лургических шлаков, золы-уноса ТЭС и др. в качестве добавок или основных компонентов для строительных материалов и бетонов [89,181,228]. На ТЭС - 4 в настоящее время смонтирована и действует установка по отбору сухой золы производительностью 75 тыс, тонн в год, что делает воз можным использование золы для производства эффективных ячеистых бето нов в промышленном масштабе. Основные характеристики золы-уноса ТЭС представлены в пункте 2.2.2. диссертационной работы.
В настоящее время существует много разновидностей пенообразователей как отечественного, так и зарубежного производства (табл. 2.1, 2.2). К отечественным пенообразователям относят клееканифольный, алюмосуль-фонафтеновый, смолосапониловый, ПО —I, «Белпор - 1 Ом», «Унипор», ПО - 6, ПБ - 2000, а к зарубежным «Неопор», «Диет», «Едама» и др. [72,91,164,165,166,167,242].
Важнейшим процессом в технологии ячеистых бетонов на основе пены является получение стойкой и упругой строительной пены посредством взбалтывания водного раствора пенообразователя. Пенообразователь снижает поверхностное натяжение воды, чем и объясняется большая пенообра-зующая способность раствора [1,2,101,121,230].
Получение пеностеклобетонных смесей, особенности формирования и совершенствования структуры ячеистого бетона на пористом заполнителе
Совершенствование способов регулирования процессов порообразования и стабилизации структуры бетона является одной из важнейших задач исследования строительных материалов.
Многие технические свойства легкобетонных изделий и конструкций, и первую очередь их долговечность, зависят в значительной степени от структуры бетона, которая формируется в процессе его твердения и службы. Основное влияние на структуру бетона оказывают соотношение твердой и жидкой фаз в цементном тесте и бетонной смеси, качество и гранулометрический состав заполнителей, тонкость помола и вид цемента, характер контактной зоны «цементный камень - заполнитель», причем возможно возникновение контактного слоя, отличающегося по составу и строению от основных компонентов и т.д. [21,42,43,114,157,182,187,221-226,257].
Свойства легких бетонов, в нашем случае композита - пеностеклобетона, тесно связаны с характером строения пористых заполнителей, цементирующего вещества и их свойствами. Основной особенностью пеностеклобетона является то, что поризация его достигается в первую очередь приданием пористой структуры самому цементному камню, и введением в поризованный бетон мелких и крупных фракций пористого заполнителя. Общая пористость заполнителя применяемого для пеностеклобетона, колеблется большей частью в пределах 60...95%. Особенно ценно то, что гранулы пеностекла имеют мелкие, равномерно распределенные закрытые поры. Такая пористость обеспечивает стабильность механических свойств, а также снижает среднюю плотность пеностеклобетона.
Второй важной особенностью структуры пеностеклобетона является степень однородности. Причина этой однородности связана с количественным содержание поризованного вяжущего (компонентов пенобетона с разнообразны ми физико-механическими и физико-химическими свойствами, наличием пор, и 1 т.п.) и высокопористого крупного заполнителя (пеностекла), а также способа приготовления [92-95,102,131,146,180,183].
В данной работе была поставлена задача подбора оптимального состава ячеистого бетона (пенобетона); вида и качества пористого заполнителя; достижения минимальной теплопроводности за счет снижения средней плотности смеси не снизив при этом прочностных характеристик материала (пеностекло-бетона). Создание максимально пористой структуры пеностеклобетона осуществлялось за счет применения нового (местного) белковосодержащего пенообразователя «Бел пор-1 ом» и введения крупного пористого заполнителя (гранулированного пеностекла), местного производства. Подробно основные компо-ненты для получения пеностеклобетона описаны в главе 2.
Предлагаемая автором технология предполагает многоступенчатое полу 1 чение пеностеклобетона. На первой стадии приготовляется пенобетон по раз дельной технологии, на второй приготовление пеностеклобетона по выбранной , технологии (см. раздел 3.5).
Экспериментами установлен оптимальный расход основных компонентов для получения пенобетонной смесей с учет производственной (заводской) кор-I ректировки: для цементного теста - цемент 400 - 480 кг, зола-унос ТЭЦ 140,8 — 180 кг, жидкое стекло натриевое 13,8 — 14,4 кг, вода 100 - 140 л (В/Ц 0,25 — 0,30), для получения пены - пенообразователь (конц. 6%) 7,8 л, вода — 113 л.
Данный состав смеси позволяет получать пенобетон неавтоклавного твердения средней плотностью в сухом состоянии 600 — 900 кг/м . Степень насыщения объёма такого пенобетона гранулами пеностекла (при насыпной плотности 160 - 200 кг/м3) была высокой: 46 - 52 %.
Рекомендуемые составы пенобетона и пеностеклобетона корректируется в лабораторных условиях (см. рис. 3.4) в зависимости от требуемых эксплуата ционных характеристик материала, а именно его плотности, степени упаковки заполнителя и дальнейшей области эксплуатации материала.
Физико-механические показатели пеностеклобетона представлены в таблице 4.2 и 4.3.
Качество и долговечность строительных материалов зависит от большого числа факторов. Пеностеклобетон состоящий из пористого заполнителя и растворной части, поризованной при помощи специальных порообразугощих веществ (ленообразующих, газообразующих или воздухововлекающих). Растворная составляющая пеностеклобетона изготовляется из поризованного вяжущего, кремнеземистой пылевидной добавки, которые могут добавляться в бетон с целью уменьшения расхода вяжущего [16,44,117,135,202,238,262,273].
Крупные пористые заполнители вводятся в ячеистый бетон для того, чтобы уменьшить усадочные деформации и влажность изделий. Поризацией же цементного камня в легком бетоне в основном достигается уменьшение плотности, увеличение подвижности и удобоформуемости легкобетонной смеси [58,95-98].
Эффективность подбора составов бетонных смесей в любой методике определяется следующими основными факторами [11,22,202]: 1. Получение максимальной прочности при наименьшем расходе цемента; 2. Минимальной трудоёмкости операций при изготовлении опытных образцов и их наименьшем количестве; 3. Сходимостью запроектированных расходов составляющих бетонной смеси с фактическими расходами полученными опытным путем; 4. Проверка качества бетона испытанием контрольных образцов и апробирование в заводских условиях на технологическом оборудовании. В лабораторных экспериментальных исследованиях применялись основные компоненты, описанные в главе 2 (см. п.2.2.1. — 2.2.5.)
Опытно-производственная проверка результатов исследования
Технологические схемы (описанные в пункте 3.5 диссертационной работы) разработаны для выпуска ячеистого бетона (пенобетона) с применением крупного пористого заполнителя — гранулированного пеностекла и рекомендованы для заводского производства на ОАО ОКСК (г.Омск).
Проверку результатов лабораторных исследований, предложенных составов пеностеклобетона на фракционированном заполнителе и корректировку ре-цептурно-технологических характеристик применительно к заводскому оборудованию проводили в лаборатории завода ОКСК (г. Омск). В ходе операций по технологической схеме (вариант 1 или 2) на заводском оборудовании были проверены и уточнены технологические параметры (а именно, последовательность введения пористого заполнителя, время перемешивания и способ формования) изготовления пеностеклобетона (табл.4.1,).
Примечание: Расход воды: над чертой - для цементного раствора, под чертой - для приготовления пеномассы. - насыпная плотность фракции гранулированного пеностекла разной крупности может находиться при небольшом интервале значений (160-200 кг/м3).
Степень насыщения ( ф ) пенобетонной смеси гранулами пеностекла находится в интервалах 0,46 - 0,52 и составляет от 92 до 104 кг/м .
Прочностные показатели пеностеклобетона в основном зависят от крупности применяемой фракции пеностекла и степени насыщения пенобетонной смеси (табл. 4.2) пористым заполнителем. Степень насыщения (объёмная кон центрация) для пеностеклобетона находилась в интервале 0,46 - 0,52, что было # рассчитано экспериментальным путем при заводской лаборатории.
Установлено, что при использовании фракции 10-20 мм прочность на сжатие пеностеклобетона была максимальной и находилась в пределах от 2,25 до 3,5 МПа при средней плотности материала 450 - 600 кг/м . Полученные достаточно высокие показатели прочности на сжатие пеностеклобетона связаны, прежде всего, с прочностью самого заполнителя - пеностекла: для фракции 10 -20 мм прочность в цилиндре 1,5 - 2,0 МПа, для фракции 20 - 40 мм - 0,5 -1,1 МПа, для фракции 10 - 40 мм - 0,7 - 1,2 МПа (см. пункт 3.3.2 — испытание на прочность отдельных гранул). Прочность пеностеклобетонных образцов с использованием фракций 10-40 мм находится в пределах 1,50 - 2,25 МПа и фракций 20 - 40 мм - 1,10 - 1,67 МПа. Полученные низкие результаты прочности пеностеклобетонных образцов связаны с хрупкостью заполнителя крупной
фракции 40 мм, входящей в состав смесей применяемых фракций 10 - 40 и 20 40 мм. Если сравнить прочность на сжатие пеностеклобетонных образцов (2,25 2,75 МПа) при средней плотности в сухом состоянии 450 - 500 кг/м3, то анало гичную прочностью на сжатие образцы из пенобетона будут иметь при средней плотности в сухом состоянии уже 800-1000кг/м , что в 2 раза выше, чем у пеностеклобетона. Эти результаты говорят о хорошем сцеплении и монолитности композита (пеностеклобетона) в зоне контакта и перспективном применении гранулированного пеностекла в качестве крупного пористого заполнителя для ячеистого бетона (пенобетона).
Следует отметить существенное снижение (на 1/3) теплопроводности в пеностеклобетоне по сравнению с контрольным пенобетоном: 0,19 Вт/м С при средней плотности пенобетона в сухом состоянии 600 кг/м и 0,11 Вт/м С при аналогичной средней плотности. Снижение коэффициента теплопроводности пеностеклобетона происходит за счет использования пеностекла, которое имеет коэффициент теплопроводности в среднем 0,006 Вт/м С.
Результаты опытных партий пеностеклобетона сопоставляются с результатами, полученными при использовании математического аппарата и статистической обработки данных (п. 3.2).
На основе полученных пеноетеклобетонных смесей неавтоклавного твер-дения средней плотностью в сухом состоянии 450 - 600 кг/м способом раздельного приготовления, были изготовлены изделия в виде блоков по резательной технологии, показатели качества которых удовлетворяют требованиям ГОСТ 25485-89, ГОСТ 5742-76, ГОСТ 21520-89.