Строительные статьи

О некоторых аспектах управления структурообразованием и свойствами шлакосиликатного пенобетона

Проблема энергосбережения в строительстве, означенная требо­ваниями изменений N° 3 к СНиП 11-3—79 «Строительная тепло­техника», определила интенсивное развитие напра&зения по созданию и производству эффективных де­шевых материалов с высокими теплофизическими характеристи­ками. Одним из наиболее перспек­тивных материалов такого класса является экологически чистый не­горючий ячеистый пено - и газобетон.

Преимущество при организации производства ячеистого бетона в настоящее время отдается неавто­клавному пенобетону из-за более низких капитальных вложений, мини энергоемкости и более про­стой технологии — в техноло­гическом цикле отсутствуют про­цессы удаления горбушки и авто­клавного твердения. Кроме того, высокие тарифы на транспортные расходы вносят значимый вклад в цену и снижают конкуренто­способность продукции заводов большой мощности по производ­ству газобетона. Такое положение делает производство неавтоклав­ного пенобетона на заводах малой мощности и стройплощадках эко­номически более целесообразным.

Однако производство наиболее эффективного по теплофизическим параметрам пенобетона низких ма­рок по средней плотности является проблемным ввиду сложности обес­печения стабильной ячеистой структуры и высокой прочности. Очевидно, что увеличение прочнос­ти при постоянной плотности может быть обеспечено только за счет повышения прочности матрицы пе­нобетона, в частности за счет повы­шения активности вяжущего ком­понента, снижения водотвердого отношения, использования химиче­ских и минеральных модифика­торов (микрокремнезема, частиц глинистой фракции и др.), механо - химической активации вяжушего вещества и др. Применение озна­ченных технологических приемов может существенно усложнить тех­нологический процесс, и потому их внедрение должно быть обосновано технико-экономической целесооб­разностью. Эффективным направ­лением в технологии пенобетона вы­сокого качества является примене­ние ускорителей твердения, а также быстросхватываюшихся и быстрот­вердеющих вяжущих веществ типа гипсовых, шлакосиликатных и дру­гих, наиболее перспективными яв­ляются шлакосиликатные цементы, для которых характерны высокая прочность (80—120 МПа) и высокий темп гвердения на ранней стадии. Использование перечисленных тех­нологических приемов практически не требует капитальных затрат при их внедрении.

На качество пенобетона значи­мое влияние оказывает дисперс­ность и устойчивость пен, которые в зависимости от формы, толщины пленок и других факторов подраз­деляют на три вида: шаровые, со­стоящие из почти сферических пу­зырьков, разделенных достаточно толстыми пленками жидкости; по­лиэдрические и промежуточного ти­па — микрогазовые эмульсии, внут­ренняя фаза которых образована скоплением газовых пузырьков [1].

Для приготовления пенобетона используются полиэдрические ле­ны, состоящие в основном из газо­вой фазы, разделенной на ячейки тонкими пленками. Эти ячейки име­ют форму многогранника, и пену рассматривают как систему, объем которой плотно заполнен более или менее правильными многогранни­ками. Такие пены получают путем интенсивного обезвоживания шаро­вых пен или непосредственно из маловязкой жидкости, т. е. водных растворов пенообразователей [ 1 .

Анализ геометрии полиэдриче­ских пен показывает следующее. Если три пузырька соединить, то три разделяющие пленки, соединяясь, образуют трехгранный столбик жидкости, называемый треуголь­ником, или границей Плато. До соединения пенные пленки — это плоскопараллельные жидкие слои, поверхность которых в треуголь­никах Плато вогнута, что указывает на значительный перепад давления между газообразной и жидкой фа­зами. В результате возникает капил­лярное давление, и жидкость вы - давливается из пленки на границу Плато, оказывая влияние на процесс

Осушения пены и ее устойчивость. Кроме того, определенный вклад в утончение пленки вносится за счет стекания жидкости от верхних слоев к нижним под действием силы тяжести.

Три пузырька, стенки которых встречаются под утлом 120°С, обра­зуют механически устойчивую сис­тему. К системе трех пузырьков можно добавить четвертый пузырек, однако такая система неустойчива. При малейшем нарушении равнове­сия или возмущении пленки прихо­дят в движение и в результате обра­зуют более или менее однородную гексагональную решетку [ 1 ].

Геометрия трехмерных пен зна­чительно сложнее. Поскольку стен­ки всех пузырьков должны быть одинаковыми, при пересечении - трех стенок с образованием границ Плато или ребер утлы пересечения также должны быть равны 120РС. Встречаясь в одной точке, четыре таких ребра должны образовывать четырехгранный угол, равный 109°28'. Исследованиями геометрии реальных пен, выполненными в работе |2], показано, что в пенах действительно чаще всего наблюда­ются именно такие углы. При этом устойчивость таких пен связывается с тем, что или результирующие си­лы, действующие на каждую грань, границу Плато или вершину, равны нулю, или же они уравновешивают­ся изменением локального давле­ния жидкости внутри стенок, разде­ляющих ячейки. Такие изменения давления оказывают значимую роль в механизме осушения пен, в ре­зультате чего пленки внутри пен утончаются и становятся неустой­чивыми быстрее, чем даже изолиро­ванные плоские пленки, и в различ­ных местах разрываются.

В некоторых случаях сначала разрушаются самые верхние ячей­ки, и таким образом, объем пены во времени непрерывно уменьшается. В других случаях в основном разру­шаются внутренние перегородки. При этом размер газовых ячеек уве­личивается, а плотность пены уменьшается. Кроме разрушения ячеек изменению распределения размеров и формы ячеек во времени способствует диффузия газа через

Перегородки, разделяющие ячейки. Очевидно, что ухудшение качества пены приведет к снижению строи­тельно-технических свойств (СТС) пенобетона.

Одной из основных характерис­тик устойчивой пленки является ее сопротиазение механическому воз­действию. В качестве такой характе­ристики Гиббс рассматривает [31 упругость пленки:

Е = 2 d у/6 In А, (1)

Где А — площадь пленки, у — поверх­ностное натяжение.

Для двухкомпонентной системы уравнение (1) представлено Адам - соном в следующем виде:

Е = 4(Г«2)2 {6 p2/dm2), (2)

Где Р2— поверхностный избыток компонента 2, р2 ~~ химический по­тенциал этого компонента и т2 — его количество на единицу площади пленки.

Качественно Е характеризует спо­собность пленки изменять поверх­ностное натяжение в момент наложе­ния растягивающего или сжимаю­щего усилия. При растяжении поверхности концентрация поверх­ностно-активного вещества в пленке падает, и соответственно возрастает поверхностное натяжение, препятст­вующее разрыву пленки. Для чистых жидкостей Е по определению равно нулю, и поэтому они не образуют ус­тойчивых пен. В то же время, как по­казывает уравнение (2), величина Е может быть большой, только если и Г'2, и d |i2/d m2 достаточно велики. Это означает, что концентрация поверхностно-активного вещества должна быть велика, но не слишком, то есть содержание пенообразователя должно быть оптимальным. Этот вы­вод подтверждают данные Барча, показавшего, что концентрации жир­ной кислоты и спирта, соответствую­щие максимуму устойчивости пен, существенно ниже той концентра­ции, которой отвечает минимум поверхностного натяжения. Изме­ренные значения Е находятся в диа­пазоне от 10 до 40 дн/см [ 1 ].

Очевидно, что оптимальное со­держание пенообразователя является одним из основных факторов, влия­ющих на СТС пенобетона. Так, при его недостаточном содержании не будет обеспечиваться требуемая плотность бетона, а при повышен­ном расходе пенообразователя может произойти существенное замедление процессов схватывания и темпа твер­дения цементной системы, разруше­ние пены и существенное ухудшение СТС пенобетона, в т. ч. его проседа­ние. При этом худшими по условиям сохранения качества ячеистой струк­туры пены являются пенобетоны низких марок по средней плотности, что связано с увеличением свобод­ной воды в их составе, а также с увеличением концентрации даже оптимального содержания пенооб­разователя на единицу вяжушего ве­щества, замедляющего структурооб - разование в пенобетонной смеси на ранней стадии.

Таким образом, неоптимальное содержание пенообразователя будет оказывать влияние не только на ус­тойчивость пены, но и на качество пенобетона и темп его твердения. Поэтому в последние годы получает развитие производство ячеистого бетона низкой плотности с исполь­зованием комплексного порообра - зователя (пенообразователь + газо­обра зователь), обеспечивающего более стабильные технологические характеристики, и СТС бетона та­кого класса |4]. Однако образование горбушки сдерживает его массовое внедрение в стройиндустрии.

Кроме равновесных, или обра­тимых процессов на упругое сопро­тивление пленки могут оказывать влияние и некоторые переходные процессы. По данным Рэлея, све­жая поверхность пленки обладает повышенным относительно равно­весных условий поверхностным на­тяжением |5J.

Росс и Хаак указывают, что если поверхностно-активное вещество может быстро диффундировать из объема пленки на поверхность, об­разующиеся на короткое время пят­на тонкой пленки могут локально менять исходное поверхностное на­тяжение пленки еше до утончения всей пленки 16]. Таким образом, из­менения поверхностного натяже­ния снимаются без уменьшения первоначальной толщины пленки, и на некоторое время эта область пленки остается механически сла­бой. Адамсон делает вывод, что хо­рошие пенообразователи должны адсорбироваться на поверхности достаточно медленно (в миллисе­кунд ном масштабе) [1]. При этом очевидно, что некоторые пенообра­зователи могут быть несовместимы с определенными видами вяжущих веществ, а также с некоторыми ви­дами химических и минеральных модификаторов.

Для получения устойчивой пены, по-видимому, важно, чтобы пленка не только была упругой (с высоким пределом упругости), но и отличалась высокой поверхностной вязкостью, что уменьшает скорость стекания пленки на границу Плато. Опыты со свободными мыльными пленками, выполненные Ааамсоном, показали, что скорость стекания пленки через границу Плато резко уменьшается, если адсорбированная пленка поверх­ностно-активного вещества по типу приближается к твердой пленке [ 11. Поэтому для повышения устойчивос­ти пен в пенобетоне целесообразно использовать стабилизаторы в виде высокодисперсных ми неральных компонентов типа тонкомолотого це­мента, микрокремнезема, частиц гли­нистой фракции, извести и других, а также применять с повышенной тем - лературоГ! затворитель, ускоряющий схватывание цементной системы и придающий пене состояние, соответ­ствующее псевдотвердому.

Следует отметить, что строгий анализ возможной взаимосвязи фак­торов, определяющих устойчивость пен, отсутствует. Качественно время жизни пены зависит от скорости утоньшения. устойчивости тонких пленок по отношению к испарению и механическим сотрясениям, вклю­чая колебания, передаваемые через массу пены при разрыве перегоро­док между ячейками и резком сдвиге стенок соседних ячеек.

Адамсон делает вывод, что по­верхностно-активные вешества, особенно коллоидные электролиты и биологические вещества, напри­мер белки, протеин, должны быть хорошими пенообразователями. Все эти вещества образуют пленки, рав­новесие которых с подложкой уста­навливается не слишком быстро (I ). Поэтому выбор эффективных и де­шевых пенообразователей и стаби­лизаторов пен для пенобетона, в т. ч. ш л ако шел очного, является про­блемным и требует своего теорети­ческого и практического развития.

Для приготовления пенобетона исследованы и разработаны различ­ные вид!,! пенообразователей, отли­чающиеся требуемым количеством воды для получения пены на 1 м - бе­тона, кратностью представляющей отношение объема полученной пены к объему водного раствора пенооб­разователя; устойчивостью пены и синерезисом — самопроизвольным уменьшением объема пены, сопро­вождающимся выделением значи­тельного количества жидкой фазы. Ранее применение получали следую­щие пенообразователи: клеека - нифол ьн ы й. смол осопо ни новы й, алюмосульфонафтеновый, гидроли - зованная кровь (ГК), а в последние годы — ниапор, пеностром, окись амина, лаурил сульфат натрия, по­жарные пенообразователи и др. Характеристики некоторых пенооб­разователей представлены в табл. 1 и являются ориентировочными, так как кратность пены и количество за­висят от применяемого оборудова­ния для получения пены, а также от вида применяемых стабилизаторов.

В качестве стабилизаторов пены применяют жидкое стекло, серно­
кислое железо, смолу древесную омыленную (СДО) и др., а также в виде твердых частиц — известь, тон­кодисперсный портландцемент, микрокремнезем, высокодисперс­ные золы ТЭС. доменные гранули­рованные шлаки и др. При этом ста­билизаторы минерального типа должны не только уменьшать ско­рость стекания жидкости на грани­цу Плато, но и за счет быстрого схватывания переводить пленку в псевдотвердое состояние.

Для приготовления пены исполь­зуют центробежные пеногенераторы (героторные насосы) и скоростные пеносбиватели миксерного типа. Стабилизаторы пены в жидком виде в обоих случаях целесообразно вво­дить в раствор пенообразователя, что позволяет получать устойчивые тон­кодисперсные пены, обеспечиваю­щие высокие СТС пенобетона. Кро­ме того, стабилизатор пены в жидком виде целесообразно дополнительно вводить в бетоносмеситель в опти­мальном количестве одновременно с минеральным (цементным, шлако­вым) компонентом, что повышает коэффициент использования поро - образуюшей способности пенокон- центратора, а также у стойчивость пе­ны в процессе приготоапения пено­бетонной смеси за счет утолщения пленки и их повышенного сродства. Значимое влияние на устойчивость пены и повышение ее дисперсности оказывает также применение стаби­лизаторов минерального типа за счет повышения поверхностной вязкости и перевода их в псевдотвердое состо­яние. Однако их использование обеспечивается только при приго­товлении пены в пеносбивателях миксерного типа. При этом наиболее эффективными являются скорост­ные бетоносмесители — пеновсбива - тели принудительного типа, в кото­рых процессы приготовления пены и пенобетонной смеси совмешены. В этом случае используется более ус­тойчивая «свежая» пена [51, водосо - держанне пенобетона является более низким относительно технологии с пеногенератором, а его СТС наибо­лее высокими. Однако такая техно­логия приготовления пенобетонной смеси в соответствии с уравнением (2) не может быть использована для приготовления шлакосиликатного пенобетона ввиду повышенного со­держания в его составе поверхност­но-активного вещества — силикатно­го затворителя.

При выборе оптимального вида пенообразователя необходимо учи­тывать, что некоторые из них могут оказаться несовместимыми с приня­тыми видами вяжуших, приводящи­ми к различным негативным явле­ния, в частности, может произойти гашение пены. Например, пенообра­зователь окиси амина приводит к ко­агуляции частиц портландцемента с образованием крупных агрегатов, наблюдаемых визуально, что приво­дит к значимому снижению прочно­сти и других СТС пенобетона. По­этому при использовании окиси амина практически не удается полу­чить пенобетон плотности ниже 800 кг/м3. При использовании же высокоэффективного пенообразова­теля — пенострома для портландце­ментных пенобетонов в составе шла­косиликатного бетона наблюдается интенсивное гашение пены, и пено­бетон получить не удается.

Наиболее эффективными пено­образователями для шлакосиликат­ного пенобетона (ШСП Б) являются окись амина и лаурил сульфат на­трия. Однако их высокая водопо - требность для. приготовления рас­твора пенообразователя оказывает негативное влияние на деформации усадки и трешиностойкость такого вида пенобетона, которые являются повышенными для шлакошелочных вяжуших. изготавливаемых с ис­пользованием низкомодудьного си­ликатного затворителя.

Для снижения деформаций усадки и повышения трешнностой - кости в ШСП Б вводили шелоче - стойкое стекловолокно, золу ТЭС, микрокремнезем, а также применя­ли поверхностное армирование стеклосеткой, а для сохранения тонкодисперсной структуры пор — химические и минеральные ускори­тели твердения. При этом использо­вание минеральных модификаторов существенно повысило устойчи­вость пены и соответственно ка­чество структуры пенобетона В ча­стности, проседание образцов не наблюдалось даже при плотности пенобетона 150 кг/м3 и ниже.

Исследования показали, что при­менение означенных технологичес­ких приемов уменьшает деформации усадки ШСП Б в 2 и более раз и соот­ветственно составляет 1,7; 2,3 и 2,9 мм/м для пенобетона средних ма­рок по плотности D500; D350 и D250, то есть удовлетворяет требованиям ГОСТ 25485. При этом оптимальные составы ШСП6 по деформациям усадки характеризуются высокими СТС. В частности, его прочность при сжатии и изгибе превышает требова­ния ГОСТ 25485 (табл. 2), а марка по морозостойкости ДЛЯ марки по плот­ности D500 и D350 соответственно составляет F35-F50 и F25.

Исследования теплопроводно­сти ШСП Б подтвердили, что шла­ковые цементы характеризуются
более низким (на 10—20%) коэ<Р~ фиииентом теплопроводности (?•) относ ител ьно портл анд цеме нтн ь1 х (табл. 3), а его зависимость <*т плотности бетона имеет линейной характер и аппроксимируется ураР~ нением:

К = 0,00184 р + 0,33, (3)

Где р — плотность бетона, кг/м3.

Точность определения коэффИ" циента теплопроводности по уравне~ нию (3) в диапазоне средней плотно­сти блока 200-300 кг/м3 составдяет 1,24. При этом следует отметить, чт0 сорбционное влажнение пенобето­на составляет 5—10% для плотности 500-150 кг/м3 и удовлетворяет тре­бованиям ГОСТ 25485.

Важной характеристикой пено­бетона является коэффициент раз­мягчения, который, как показа™ исследования, является высоким и составляет для пенобетона марки средней плотности D500 — 97,5^ D350 — 92,8%.

Эффективным направлением применения ШСПБ является ег° использование в качестве термо­стойкого материала для огнезащиты и теплоизоляции строительных конструкций, тепловых машин, го­рячих трубопроводов и др.

Испытания термостойкого ШСПБ марок по средней плотности D200- D450 показали, что он характеризу­ется температурой применения 1150°С, а также высокими СТС. На­пример, для средней плотное™ 350 кг/м3 ШСПБ имеет прочность при сжатии 1,39 МПа, коэффици­ент теплопроводности при 20°С — 0,09 Вт/(м °С), при 120—821°С - 0.122-0,46 Вт/(м-°С), остаточную прочность 115—214%, огневую yc<^" ку при температуре 1150"С — 3,6^. относится к классу К0(45) по жарной опасности. Снижение ус*Д - ки, в т. ч. огневой, обеспечиваемся жлчолъзовалиле *л WRepxwocTUCro армирования изделий шелочестой - кой стеклосеткой.

Испытания термостойкого ШСГ1В, выполненные в условиях Москов­ской ТЭС 22 на трубопровода* с температурой 550—600"С, пока^ ли, что на поверхности изделий в течение одного года не наблюдает­ся образования трещин, а экономи­ческий эффект составляет боЛее 300 р на 1 п. м трубы.

Кроме того, ВНИИжелезобе1"он совместно с Моспроектстром вы­полнили проектные работы, преду­сматривающие использование тер­мостойкого ШСПБ плотносТью 300—350 кг/м3 в печах для обжига кирпича с шириной обжигового ка­нала 2,44 и 4.7 м и длиной 90 и 150 м. Изделия из ШСПБ предусмотрено использовать взамен шамотного ог­неупорного кирпича, жаростойкого бетона, а также перлито - и вермику - литоцементных и шлаковермику - литовых плит. Устройство жаро­стойкого ограждения из ШСПБ обеспечивает снижение трудозатрат в 1,5—2 раза, а также стоимости и ремонта обжиговых печей в 2—2.5 раза и более. Положительным ас­пектом применения изделий из ШСПБ взамен цементовермикули - товых плит является то, что они не будут подвержены эрозии в процес­се эксплуатации.

Экологическая чистота ШСПБ, в т. ч. с содержанием золы ТЭС 22 в количестве 20%, изучена в лабора­тории спектроскопии РОС РИА Li. Установлено, что изделия из такого вида бетона пригодны для неогра­ниченного использования в строи­тельстве.

Таким образом, проведенные исследования показали, что шлако­силикатный пенобетон, приготов­ленный с использованием эффек­тивных пенообразователей, стаби­лизаторов пены и модификаторов

BASF (золы ТЭС, микрокремнезема, дис­персного армирования шелочестой - кими волокнами и др.) структуры, характеризуется температурой при­менения до 1150°С и высокими СТС, удовлетворяющими или пре­вышающими требования ГОСТ 25485, предъявляемые к ячеистому бетону автоклавного твердения.

Список литературы

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М., 1979. 568 с.

2. Baizke £. В. Ашег. S. Botanv, 33.58 (1946).

3. Ceibbs J. Ж, Collected Works, Vol J. Longmans, Green. New York, 1931. pp. 287,301, 307.

4. Лаукайтис A.A. Прогнозирова­ние некоторых свойств ячеисто­го бетона низкой плотности // Строит, материалы, 2001, № 4 С. 27-29.

5. Rayfeigh J. IV. S.. Scientijie Papers. Vol. 2, Cambridge University Press. Cambridge, England, 1943. p. 551.

6. Ross S., Hoak R. M., Phvs. Chem., 62, 1260. 1958.

А. А. ААУКАЙТИС. доктор техн. наук,

Директор института «Термоизоляция» (Вильнюс, Литва)