Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 12
1.1. Общие сведения о ячеистых бетонах автоклавного твердения 12
1.2. Современные способы производства ячеистых бетонов автоклавного твердения 16
1.3. Пути совершенствования технологии автоклавных материалов 24
1.4. Аморфизированное сырье как эффективный компонент строительных композитов 33
1.5. Выводы 40
2. Методы исследования и применяемые материалы 42
2.1. Характеристика сырьевых материалов 42
2.2. Методика получения материалов 46
2.2.1. Минеральный модификатор 46
2.2.2. Газобетон автоклавного твердения 47
2.3. Методы исследования 47
2.4. Выводы 52
3. Особенности структурообразования поризованных систем с минеральными модификаторами в доавтоклавный период 53
3.1. Состав и свойства минерального модификатора как компонента смеси 55
3.2. Реология модифицированных сырьевых смесей 65
3.3. Процессы поризации смеси в присутствии минеральных модификаторов 71
3.4. Выводы 75
4. Газобетон автоклавного твердения с минеральными модификаторами. состав, свойства и структура 76
4.1. Минералообразование в модельных системах с использованием минеральных модификаторов 76
4.2. Влияние состава формовочной смеси на свойства ячеистых композитов 88
4.3. Особенности структуры газобетона автоклавного твердения в зависимости от состава 95
4.4. Микроструктура ячеистых композитов автоклавного твердения 102
4.5. Выводы 108
5. Технология и оценка эффективности производства изделий автоклавного твердения с использованием минерального модификатора, полученного на основе аморфизованного сырья .. 110
5.1. Модернизация технологии газобетона автоклавного твердения с учетом применения минеральных модификаторов 110
5.2. Обоснование технико-экономической эффективности модифицированных ячеистых композитов 119
5.3. Внедрение результатов исследований 127
5.4. Выводы 128
Заключение 130
Список литературы 134
Приложения 153
- Современные способы производства ячеистых бетонов автоклавного твердения
- Реология модифицированных сырьевых смесей
- Особенности структуры газобетона автоклавного твердения в зависимости от состава
- Обоснование технико-экономической эффективности модифицированных ячеистых композитов
Современные способы производства ячеистых бетонов автоклавного твердения
Технология изготовления газобетона автоклавного твердения известна уже давно и, несмотря на все улучшения технико-эксплуатационных характеристик материала, практически не претерпела изменений.
Классический (литьевой) метод формования, получивший распространение в 30-х годах прошлого века, предусматривает вспучивание в формах вязко-пластичной сырьевой смеси, состоящей из извести, песка, цемента, газообразователя и воды без каких-либо механических воздействий [11].
По мнению [12] особенностью данной технологии является использование смесей с высоким водотвердым отношением, что обязывает производителей газобетона использовать сырье более высокого качества, повышать количество вяжущих материалов, а также производить помол компонентов до более высокой удельной поверхности. В результате часто в проектной документации зарубежные производители оборудования закладывают требования к сырьевым материалам, превышающие показатели, заложенные в отечественной нормативной документации, что сильно затрудняет применение сырья местного производства.
Вследствие того, что литьевая технология не подразумевает использование никаких динамических воздействий на смесь во время процесса вспучивания, вопрос получения ячеистобетонной смеси оптимальной вязкости в данном случае является наиболее принципиальным. Это означает, что качество готового продукта (макроструктура и микроструктура) напрямую связано с качеством и количеством используемого сырья. Однако, использование вибрационного или ударного методов формования позволяет влиять на реологические характеристики ячеистобетонной смеси.
С целью снижения В/Т используемых сырьевых смесей в конце 1950-х гг. была предложена вибрационная технология формования [13]. За счет вибрирования ячеистобетонной смеси во время вспучивания, ускоряется процесс «созревания» массива и уменьшается конечная производственная влажность газобетона.
Как отмечают авторы [14], воздействие на смесь колебаний, которые могут сильно затухать, а также подвержены интерференционным и резонансным явлениям, способствует образованию неоднородной структуры массива. Для обеспечения формирования оптимальной макроструктуры виброформовочное оборудование должно быть оснащено устройством плавного регулирования амплитуды и частоты колебаний. Анализ многочисленных работ по изучению причин разрушения структуры в процессе формования, исследование влияния амплитуды, частоты и продолжительности вынужденных колебаний и оценка скорости движения газовой поры при вибрации во время вспучивания показали преимущество формования с применением низкочастотных ударных воздействий.
Ударная технология производства газобетона была предложена в 1980-е гг. Метод основан на явлении тиксотропии, заключающейся в разрушении слабых коагуляционных структур под воздействием вибрации, что позднее обеспечивает уплотнение межпоровых перегородок. В технологии используются ячеистобетонные смеси с пониженным В/Т (до 0,32), что позволяет экономить время на предварительной выдержке массива (в сравнении с остальными способами получения газобетона автоклавного твердения) и получать изделия с меньшей послеавтоклавной влажностью. Внедрение технологии позволяет снизить расход сырьевых компонентов и энергозатраты на их помол, за счет возможности использования материалов с большей удельной поверхностью, количество форм для заливки ячеистобетонной смеси и камер для предавтоклавной выдержки массивов, расход энергетических ресурсов на автоклавирование, ввиду меньшей продолжительности гидротермальной обработки [15].
Как известно, технико-эксплуатационные характеристики газобетона напрямую связаны с качеством пористой структуры, в частности, с распределением капиллярных пор по размерам. Авторами отмечается, что в газобетоне, произведенном по ударной технологии, отмечается формирование оптимальной макроструктуры композитов: в поровом пространстве содержится в среднем на 15 % меньше пор с радиусом 0,1-0,01 мкм (в сравнении с образцами полученными при литьевом методе), присутствие которых негативно сказывается на прочностных характеристиках готового материала [16]. Анализ сравнительных испытаний газобетона, полученного разными методами, плотностью 460 кг/м3, показали, что образцы, полученные ударным способом по сравнению с литьевой, превосходили по показателям прочности в среднем на 9%, морозостойкости на 20 %, при этом водопоглощение снижалось на 12 %. Однако, представители производства не столь оптимистично относятся к ударной технологии [17]. В противовес вышеописанных данных приводится опыт заводов «Аэрок», производящих газобетон по литьевой технологии[18]. По сравнению с ударной технологией, отмечается меньший расход сырьевых компонентов, более высокие показатели прочности и морозостойкости образцов, что подтверждается также данными, приведенными в работе [19].
К числу основных недостатков ударной технологии производители относят следующие:
- присутствие пор большого диаметра (раковин);
- повышенный износ форм;
- частые поломки ударных столов;
- сложность достижения однородности сырьевой смеси, ввиду ее высокой жесткости.
Однако, наряду с недостатками существует и ряд существенных достоинств в сравнении с литьевой технологией:
- быстрота созревания массива, что позволяет контролировать подъем смеси и оперативно ликвидировать проблемы, снижая процент брака на производстве. При этом экономия времени при выдержке массивов способствует увеличению производительности;
- возможность управления процессом вспучивания, что снижает процент некондиции на заводе.
Интересна технология изготовления автоклавных ячеистых материалов под названием автофреттаж, суть которой состоит в выдержке массивов в закрытых формах с подпрессовкой. Благодаря такой выдержке из сырьевой смеси «отжимается» излишек воды затворения, снижается расход сырьевых материалов, ликвидируется отход производства («горбушка»), повышается качество готовых изделий [20]. Для повышения эффективности данного способа коллективом авторов предложено множество технологических решений, которые позволяют осуществлять установку, закрепление и снятие крышки формы в кратчайшие сроки [21].
Однако, несмотря на явные преимущества технологии, автофреттаж не получил широкого распространения ввиду ряда выявленных недостатков:
- повышение металлоемкости форм, которое влечет за собой увеличение производственных площадей для их хранения и сборки,
- увеличение ручного труда, необходимого для обслуживания форм. Часто на предприятиях не успевали закреплять крышку на форме до момента начала вспучивания подогретой массы, что приводило к ее вытеканию.
- снижение коэффициента заполнения автоклавов, за счет увеличения высоты форм.
В настоящее время производителям предлагается широкое разнообразиетехнологических решений и соответствующего оборудования для производства эффективного автоклавного газобетона.
Основными поставщиками оборудования на данное время являются зарубежные фирмы, такие как MASA-HENKE, HESS, WEHRHAHN, HEBEL, YTONG и др. [22].
Реология модифицированных сырьевых смесей
Формирование свойств ячеистого бетона начинается с приготовления смеси с определенной подвижностью, обеспечивающей требуемую удобоукладываемость системы для качественной формовки изделий. Эти операции во многом определяют будущее качество готового продукта. Понимание происходящих в этот период процессов и свойств ячеистобетонной смеси создаст возможность управлять процессами структурообразования в газобетоне, что обеспечит формирование массивов с заданными эксплуатационными характеристиками. На реологические свойства газобетонной смеси оказывают влияние: В/Т, удельная поверхность компонентов, а также изменение температуры во время ее приготовления. В случае отклонения этих параметров от оптимальных наблюдается нарушение микро- и макроструктуры готового продукта, приводящее к низким показателям технико-эксплуатационных характеристик.
Так, например, температура смеси в процессе формования на предприятиях регулируется при помощи изменения соотношения горячей и холодной воды [136]. Однако, градиенты температур в массивах во время приготовления и вспучивания обусловлены в первую очередь процессом гашения извести, который нестационарен [137]. Одним из способов контроля этого процесса является, в том числе, применение дисперсных компонентов, активно взаимодействующих с компонентами смеси, обеспечивая стабильность начального структурообразования композита [58, 90, 138].
Известно, что введение даже незначительного количества высокодисперсного вещества приводит к изменению реологических характеристик системы. В связи с этим были проведены исследования по изучению влияния на реологию ячеистобетонной смеси присутствия аморфизованного минерального модификатора двух различных составов. Съемку реологических показателей осуществляли с помощью прибора Rheotest RN4.1.
Очевидно, что на реологические свойства смеси будут оказывать влияние показатели исходного сырья. Классические цементные системы отличаются тиксотропным течением своих суспензий, т.е. наблюдается резкое снижение начальной вязкости системы при малейшем приложении нагрузки. Это обуславливает широкую применимость данного компонента при реализации практически любых технологий получения строительных материалов с его применением. Поэтому изучение реологии цемента в работе не проводилось, поскольку очевидно, что формовочная смесь с его применением не будет отличаться от классических представлений.
При этом суспензии, полученные мокрым измельчением исходных компонентов по технологии ВКВС, как правило, характеризуются сложной реологической картиной [64, 84, 86]. В связи с этим в работе первоначально были изучены реотехнологические особенности минеральных модификаторов как основных компонентов смеси, комплексно оказывающих влияние не ее свойства (рисунок 3.4).
Согласно полученным данным, оба модификатора характеризуются классическим тиксотропным характером течения: отмечается плавное снижение начальной вязкости системы практически до нулевого значения. Тем не менее, несмотря на подобие кривых, значение исходной вязкости ММ из перлита почти в 6 раз превышает аналогичный показатель для добавки на опоке. Это объясняется структурными особенностями исходных пород, дисперсностью измельченных кремнеземсодержащих компонентов, а также их активностью (см. раздел 3.1). Тем не менее, общий характер течения обоих суспензий позволяет рекомендовать их как составляющих формовочных смесей, поскольку их введение не окажет существенного влияния на характер реологии смесей. Поскольку основным компонентов, выполняющим структуроформирующую функцию в доавтоклавный период, в общем объеме смеси является цемент, в работе предложено ведение активного дисперсного компонента (ММ) взамен части цемента, в том числе с целью его экономии и снижения стоимости композита. Кроме того, в работе [90, 139-142] показано, что автоклавирование цементной системы приводит к формированию альфагидратадвухкальциевого силиката, «примесь» которого в общей массе кристаллических образований нежелательна, поскольку данное соединение является наименее стабильным веществом, подвергающимся фазовым и объемным трансформациям при малейших изменениях системы.
Расчет состава сырьевой смеси осуществляли в соответствии с СН 277-80, а также с учетом разработанных составов и требований к сырьевым компонентам, приведенным в технологическом регламенте на производство изделий завода ЗАО «Аэробел». Изучение реологических свойств осуществлялось на формовочных смесях без поризующей добавки с различным содержанием минеральных модификаторов различного состава: от 10 до 50 % с градацией в 10 % и 100 (полное исключение цемента из состава смеси).
Согласно полученным данным (рисунок 3.5), как и в случае с исходными модификаторами, вязкость составов с добавкой из перлита в среднем в два раза превышает аналогичные показатели для смесей с добавкой из опоки.
Анализ полученных реограмм показал, что наибольшей начальной вязкостью отличаются составы с полной заменой цемента на ММ. Это объясняется, в первую очередь, более высокими показателями удельной поверхности модификатора в сравнении с цементом. При этом, начальная вязкость бесцементного состава с модификатором на основе перлита более чем в 2 раза выше, чем у состава с аналогичным содержанием ММ на основе опоки, что объясняется большим количеством активных центров, способствующих образованию первичных соединений.
Стоит отметить, что большей начальной вязкостью (в случае с составами с добавлением ММ на основе опоки), в сравнении с контрольным, обладает только суспензия с полной заменой цемента на модификатор, в то время как, практически все значения начальной вязкости на реограмме газобетонных смесей с добавлением ММ на перлите лежат выше точки начальной вязкости, соответствующей контрольному составу, что также подтверждает большую активность ММ на основе перлита.
При увеличении нагрузки на систему и возрастании градиента скорости сдвига вязкость бесцементной смеси с ММ на основе опоки снижается более чем в 7 раз в сравнении с контрольным составом, а с ММ на основе перлита в 14 раз, что объясняется малой прочностью образующихся контактных связей в объемной структуре суспензий.
На кривых течения суспензий с добавкой ММ на основе опоки фиксируются меньшие значения напряжения сдвига в сравнении с контрольным образцом и с образцами с использованием ММ на перлите, что свидетельствует о наличии большого количества воды, которая служит «смазкой» препятствующей трению между частицами во время движения. Характер течения практически всех систем идентичен, за исключением образцов с содержанием опоки более 20 %. При увеличении градиента скорости сдвига происходит разрушение коагуляционной структуры систем, приводящее к падению напряжения сдвига и вязкости системы. В дальнейшем течение суспензий проходит при минимальных значениях вязкости системы стремящихся к 0.
Особенности структуры газобетона автоклавного твердения в зависимости от состава
Рядом авторов [147-155] было доказано, что физико-механические свойства газобетона находятся в тесной взаимосвязи с качеством макроструктуры. Известно, что наличие каркаса, пронизанного большим количеством замкнутых и несообщающихся между собой пор, препятствует свободному прохождению теплового потока, улучшая тем самым теплоизоляционные свойства ячеистого бетона.
Тем не менее, единого мнения о том, какие именно показатели оказывают влияние на прочностные свойства изделий, не существует. Так, согласно данным одних ученых [148] прочность материала зависит от количества и однородности пор, равномерности их распределения по всему объему, а также от толщины и прочности межпоровых перегородок. Рядом других ученых отмечается, что поры должны представлять собой замкнутые правильные многогранники с глянцевой поверхностью, разделенные тонкими и плотными перегородками одинаковой толщины [156].
При этом фактическое достижение правильной геометрической формы пор, также как и формирование абсолютно одинаковых по толщине межпоровых перегородок во всем объеме материала не достижимо. В связи с этим, при оценке макроструктуры газобетона следует учитывать:
- степень сферичности пор и их диаметр;
- равномерность их распределения;
-размеры пор неправильной формы;
- толщину межпоровых перегородок и их дефектность.
Ранее в работе было доказано (см. глава 3), что минеральный модификатор интенсифицирует процессы вспучивания и газообразования в смеси, ускоряет время созревания и увеличивает прирост объема массива. В связи с этим, проводились исследования структуры газобетона на макроуровне при помощи цифрового видеомикроскопа HiroxKH-7700 и сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira 3 LMU.
Макроструктура образцов газобетона контрольного бездобавочного состава характеризуется неравномерностью распределения полидисперсных пор преимущественно неправильной формы (рисунок 4.11). В материале наблюдается слияние нескольких пор в одну, что можно объяснить разупорядоченностью между процессами поризации и твердения системы (рисунок 4.11, а). Поверхность пор неровная и «усыпанная» многочисленными раковинами. Межпоровые перегородки имеют рыхлую структуру и отличаются существенной толщиной (рисунок 4.11, б).
При введении в состав ячеистобетонной смеси минерального модификатора в количестве 10-50 % наблюдается преимущественное увеличение размера пор в структуре композита (рисунок 4.12). Максимальный диаметр пор наблюдается в образце с содержанием 10 % ММ на основе перлита (рисунок 4.12, 3, 4). Границы между порами четкие, несущественной толщины с отсутствием видимых дефектов в виде трещин и раковин.
Основная масса пор по форме приближена к сферической (рисунок 4.12, 4). Поры меньшего диаметра равномерно распределены между порами большего размера.
Макроструктура образца с содержанием 10 % минерального модификатора на основе опоки имеет схожий характер (рисунок 4.12, 1, 2), однако, межпоровое пространство материала содержит большое количество микропор, что отрицательно сказывается на прочностных свойствах.
На фотоснимках образцов с содержанием модификатора в интервале от 20 до 50 % фиксируется некоторое уменьшение размера пор (900-450 мкм) и приближение основной массы пор к овальной форме (рисунок 4.12, 5-20). С увеличением содержания модификатора возрастает дефектность макроструктуры газобетонных композитов - наблюдается слияние пор, межпоровые перегородки пронизаны большим количеством микропор. Это объясняется влиянием высокоактивного аморфизованного модификатора, который, как было доказано в третьей главе, увеличивает интенсивность газообразования. При этом ускоряются процессы начального доавтоклавного твердения газобетонной массы. В результате происходит некоторое разуплотнение структуры массива.
Формированием дополнительной пористости массивов при относительно высоких дозировках модификатора объясняется также снижение плотности готовых изделий (таблица 4.7) и увеличение теплопроводности (таблица 4.8). Стоит отметить, что образцы с присутствием в составе ММ на основе опоки отличаются более дефектной структурой в сравнении с образцами с таким же процентным содержанием модификатора на основе перлита, что подтверждает полученные ранее показатели прочности модифицированных композитов (таблица 4.7).
Однако, при полной замене цемента в системе на минеральный модификатор структура газобетона претерпевает существенные изменения (рисунок 4.12, 21-24). Каркас материала пронизан большим количеством изолированных друг от друга пор с перегородками небольшой толщины (100-250 мкм). Поры имеют преимущественно меньший размер по сравнению со всеми остальными образцами (400-60 мкм), что объясняется большей вязкостью формовочной смеси. Ввиду высокой активности модификатор ускоряет процесс набора массивом пластической прочности, препятствуя тем самым выходу пузырьков газа из материала наружу, а также разрыву стенок-мембран самих пор. Следовательно, стало возможным получение газобетона автоклавного твердения пониженной плотности с улучшенными теплоизоляционными свойствами.
Таким образом, введение активной минеральной добавки независимо от ее состава приводит к улучшению внутреннего пространства композита в части увеличения пор и уменьшения в результате уплотнения межпоровых перегородок. Очевидно, что высокие показатели прочности образцов автоклавного газобетона с добавлением ММ при одновременном снижении его плотности объясняются оптимизацией структуры как на макро-, так и на микроуровне.
Обоснование технико-экономической эффективности модифицированных ячеистых композитов
Формирование в России рыночной экономики способствовало появлению нового подхода к производству строительных материалов. Ввиду все большего возрастания дефицитности на некоторые сырьевые компоненты, возникла потребность в поиске новых нетрадиционных видов сырья, способных увеличить эффективность существующих изделий для строительной индустрии или придать им качественно новые свойства.
Таким образом, экономия затрат на производство газобетонных изделий автоклавного твердения с использованием минерального модификатора на основе аморфизированного сырья (перлит/опока) объясняется, в первую очередь, доступностью сырьевых материалов, сокращением или заменой в составе смеси некоторых дорогостоящих компонентов за счет улучшения показателей физико-механических свойств.
На основе полученных данных, замена 10 % цемента в составе ячеистобетонной смеси на минеральный модификатор на основе перлита способствует повышению марки по прочности с В3,5 до В5, а также увеличению марки по морозостойкости с F75 до F100 при сохранении марки по плотности D500. Использование такого же количества ММ на основе опоки позволяет повысить прочность готовых изделий марки по плотности D500 в среднем на 15%. С увеличением процента содержания модификатора в составе формовочной смеси возрастают показатели паропроницаемости и улучшается теплоэффективность газобетона автоклавного твердения. Таким образом, полное исключение цемента способствует получению теплоизоляционного газобетона автоклавного твердения с марками по плотности D350 (при использовании ММ на основе перлита) и D400 (в присутствии ММ на основе опоки), характеризующегося при этом достаточными для прохождения всех технологических переделов показателями начальной прочности сырца, а также высокими прочностными характеристиками готовых изделий.
Для подтверждения рентабельности использования минерального модификатора при производстве газобетона автоклавного твердения производился расчет экономии материальных затрат. За основу были взят расчет, предложенный в работах [58, 90 и др.]. Стоимость сырьевых материалов и электроэнергии были взяты из интернет-источников.
При выполнении экспериментальной части научно-исследовательской работы использовался испытательный пресс ПГМ-МГ4 и шаровая мельница с фарфоровой чашей объемом 5 л. Расчет материальных затрат на изготовление минерального модификатора производился в процессе расчета его стоимости.
Согласно произведенным исследованиям в диссертационной работе, оптимальным набором необходимых характеристик обладают образцы с заменой 10 и 100 % цемента в составе на минеральный модификатор. Для подтверждения эффективности производства данных изделий, произведем расчет затрат сырьевых материалов для изготовления 1 м3 каждого из них.
Расчет стоимости минеральных модификаторов силикатного и алюмосиликатного составов осуществлялся исходя из себестоимости 1 т минерального модификатора, с учетом общей производительности 5000 т/год. Расчет был произведен совместно с Некоммерческой консалтинговой компанией группой «2К Аудит – Деловые консультации».
Рассчитаем условно-годовую экономию при использовании минерального модификатора, исходя из максимальной годовой производительности технологической линии Masa-Henke 378 тыс. м3 в год. Таким образом, годовая экономия составит: для составов с 10 % ММ на основе опоки от массы цемента: Эгод= (837,7 – 805,5)378000 – 40431,8 = 12 131 168,2 руб. для составов с 10 % ММ на основе перлита от массы цемента: Эгод= (837,7 –808,3)378000 –40431,8 = 11 072 768,2 руб. для составов со 100 % заменой цемента на ММ на основе опоки: Эгод= (837,7 –515,7)378000 – 40431,8 = 121 675 568,2 руб. для составов со 100 % заменой цемента на ММ на основе перлита: Эгод= (837,7 –543,3)378000 – 40431,8 = 111 242 768,2 руб. На основании полученных результатов, можно сделать вывод о том, что использование минерального модификатора в качестве компонента ячеистобетонной смеси не только способствует улучшению технико-эксплуатационных характеристик газобетона автоклавного твердения, но и увеличивает эффективность и рентабельность его производства.