Строительные статьи

Целенаправленное изменение пористой структуры строительных материалов

Для управления процессами получения строитель­ных материалов с заданными физико-техническими свойствами обязательным условием является установле­ние закономерностей направленного регулирования их параметров на всех стадиях производственного цикла.

Данная проблема имеет много аспектов. Мы ограничи­ли свое исследование рассмотрением вопросов, связанных с возможностью регулирования характеристик пористой структуры материала за счет изменения технологических параметров производства. При этом предпочтение отдава­лось тем параметрам производства, регулирование кото­рых можно произвести в заводских условиях без пере­стройки технологических линий, замены оборудования и которые не связаны с большими финансовыми расходами.

Известно, что обшая пористость строительных мате­риалов складывается из газовых, капиллярных, контрак - ционных и гелевыхпор. Контракционная и гелевая пори­стости в меньшей мере влияют на физико-технические свойства материала. Капиллярная пористость, появляю­щаяся в результате испарения части воды затворения, оп­ределяет отношение материала к воде (водопоглошение, капиллярное всасывание и сорбционное увлажнение), морозостойкость и коррозионную стойкость. Механиче­ские и теплотехнические свойства стройматериалов зави­сят в основном от характера макропористости.

Считается общепризнанным, что чем равномернее распределены поры в материале и меньше их диаметр, тем лучше физико-механические свойства готовых изделий.

Наиболее простое и относительно управляемое фор­мирование пористой структуры строительных материа­лов может быть достигнуто за счет воздухововлечения при перемешивании смеси, содержащей воздухововле - каюшие добавки (ВВД).

По мнению Б. А. Крылова и др. [IJ, невозможно полу­чить долговечный бетон без пластифицирующих и воздухо - вовлекающих добавок, чем авторы объясняют необходи­мость организации производства пластифицирующих и пластифм чирующе-воздухововлекающих добавок.

Принимая во внимание широкие перспективы при­менения ПАВ в строительстве, нами отобраны и изуче­ны более 100 добавок, представляющих собой продукты нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности, а также отходы нефтехимии [2|. Среди изученных ПАВ около 30 оказались наиболее эффективными и пригод­ными в качестве пластифицирующих или пластифици- рующе-воздухововлекаюших добавок.

Исходя из химической природы исследованные добав­ки разделены на две группы. В качестве примера приведе­ны некоторые показатели наиболее характерных ПАВ.

Оке и производные сульфокислот (гидрофилизирующие)

СХ (сульфаноль хлорный Na) — соль алкилбензол - сульфоната получают на базе керосина и бензола (хлор­ный метод). Выпускается в жидком (с содержанием ак­тивного вещества не менее 45%) и порошкообразном (100%-ное активное вещество) виде.

ДССК (дмнатриевая саль сульфокарбоновых кисло!) получают сульфированием высокомолекулярных карбо - новых кислот. Отличается простотой технологии полу­чения. дешевыми и недефицитными ресурсами сырья.

Na-ДБК (натрий дубильно-белковый комплекс) по­лучают из выжимок виноградных гроздьев. В химичес­кий состав виноградной грозди в основном входят угле­воды, жиры, дубильные, азотистые, красящие и арома­тические вещества, органические кислоты.

Оксипроизводные карбоновых кислот (гидрофобизируюшие)

ПМЭК (пол и мети леновые и монокарбоновые эфи - рокислоты) получают окислительной переработкой нафтеновых углеводородов нефти в процессе выработки синтетических нафтеновых кислот и пластификаюров.

СПЭ (синтетические полиэфиры) получают при жидкофазном окислении мягкого парафина. СПЭ вы­деляют из окисленного парафина путем нейтрализации бензинового раствора оке и дата 5%-ным раствором ед­кого натра с дальнейшим расщеплением калиевых со­лей СПЭ серной кислотой.

ПФОК (полифункциональные оксикислоты) полу­чают в значительном количестве при окислении мягко­го парафина от карбамидной депарафинизации масля­ного производства. Для этого мягкий парафин окисля­ют при 150°С. Из полученного окисленного парафина путем растворения его в бензоле выделяют ПФОК око­ло 50% от массы сырья.

Последующие испытания исследуемых ПАВ в каче­стве гиарофобизируюшего агента, а также изучение их основных характеристик в среде насыщенного раствора Са(ОН)2 подтвердили правильность разделения доба­вок на эти группы.

Известно, что механизм возлухововлечения сложен, связан в основном с поверхностной активностью и пенообразуюшей способностью добавок. Поэтому для выявления наиболее эффективных ВВД в работе изу­чены их основные характеристики: поверхностное натяжение, пенообразование, стойкость пены и возду­хово алечение.

Исходя из общих положений и учитывая особенности технологии строительных материалов, добавки подвер­гались испытаниям в интервале температуры 20—70"С.

По своему действию на поверхностное натяжение воды добавки гидрофильного и гидрофобного характе­ра отличаются тем, что при увеличении концентрации первые более интенсивно снижают поверхностное на­тяжение, чем вторые.

Изучение влияния температуры на поверхностное натяжение водных растворов ПАВ показало, что наибо­лее резкое снижение поверхностного натяжения проис­ходит при температуре 30"С. Дальнейшее повышение температуры приводит к незначительному снижению поверхностного натяжения (рис. I).

В среде насыщенного раствора Са(ОН)2 характер кривых зависимостей поверхностного натяжения от концентрации не изменился, но абсолютные значения поверхностного натяжения оксипроизводных сульфо­кислот при всех концентрациях уменьшились.

Поверхностное натяжение и пенообразуюшая спо­собность I идрофобных добавок в среде насыщенного раствора Са(ОН)2 не определялись, так как они в ука­занной среде выпадают в осадок, образуя водонераство - римые кальциевые соли.

Пенообразующая способность водных растворов ги­дрофильных ПАВ почти в два раза выше, чем у гидро­фобных, что мог. ет быть объяснено наличием несколь­ких полярных групп (гидроксил-, карбоксил-, сульфо - и аминогрупп) в молекулах первых. Слабая полярность в гидрофобных молекулах не обусловливает высокую пенообразующую способность указанных добавок.

С повышением температуры лишь незначительно увеличивается пенообразуюшая способность ПАВ (рис. 1). При температуре 70°С наблюдается даже некоторое снижение пенообразования.

При изготовлении строительных материалов с ис­пользованием ВВД поризаиия смеси происходит в ре­зультате двух одновременно протекающих независимых процессов: вовлечения воздуха в систему и выхода его наружу при недостаточной удерживающей способности массы. Многочисленные исследования показали, что объем вовлеченного воздуха за единицу времени обратно пропорционален скорости воздухововлечения (рис. 2).

Основными факторами, влияющими на воздухо - вовлекающую способность добавок и характер пористой структуры материала, являются вид и концентрация добав­ки, водотвердое отношение, температура раствора, конст­рукция смесительного агрегата и режим перемешивания, дисперсность и вид компонентов. Изменение указанных параметров технологического процесса предоставляет реальную возможность регулировать формирование пори­стой структуры материала в требуемом направлении.

Проведенные опыты показали, что в цементно-пес - чаных смесях по воздухововлекаюшей способности ги­дрофильные ПАВ намного превосходят добавки гидро­фобного характера, что соответствует их пенообразую - шей способности и поверхностной активности (рис. 3).

Например, в среде насыщенного раствора Са(ОН)2 добавки оксипроизводных сульфокислот по сравнению с оксипроизводными карбоновых кислот обладают удовлетворительной пенообразующей способностью. Это обстоятельство объясняется тем, что оксипроиз­водные сульфокислот являются сильными кислотами и их щелочные соли не подвергаются гидролизу в отличие от водных растворов оксипроизводных карбоновых кислот, являющихся слабыми кислотами. Проведенными опытами установлено:

— изменение концентрации (с) ВВД от 0.05% до 0,10% (от массы сухих вешеств смеси) способствует повы­шению объема вовлеченного воздуха, однако даль­нейшее увеличение концентрации до 0,15% не при­водит к заметному изменению воздухововлечения;

— увеличение водотвердого отношения от 0,3 до 0,65 приводит к неуклонному возрастанию воздухо­вовлечения (см. таблицу);

— повышение температуры раствора от 20 до 70°С при­водит к резкому уменьшению объема вовлеченного воздуха, однако при этом резко увеличивается ско­рость процесса воздухововлечения (рис. I);

— среди мешалок с различным типом смесительного устройства (сетчатым, лопастным и червячным) луч­шее воздухововлечение наблюдается в. мешалке с сетчатыми, а худшее — в мешалке с червячными ло­пастями (рис. 4);

— увеличение скорости перемешивания (мешалка с сетчатыми лопастями) от 70 до 250 об/мин приводит к непрерывному возрастанию объема вовлеченного воздуха; для обычной лопастной мешалки опти­мальная скорость — 345—380 об/мин;

— при увеличении длительности перемешивания (свыше 30 мин) скорость насыщения массы пузырьками неу­клонно снижается, а дальнейшее перемешивание при­водит к стабилизации воздухововдечения (рис. 2,3). Для определения пористой структуры материала на­ми были изготовлены серии образцов, отличающиеся перечисленными параметрами. У затвердевших образ­цов изучалась макроструктура и на основании получен­ных данных строились дифференциальные кривые рас­пределения числа пор по диаметрам их сечений.

Оказалось, что вид добавки определенно влияет на средний диаметр пор и распределение их по размерам. Так, наиболее мелкие поры (dtp=0,I3 мм) при дозиров­ке добавки 0,05% имеет бетон, приготовленный с ДССК; наиболее крупные поры (dcp=0.24—0,3 мм) при такой же дозировке характерны для СПЭ и ПМЭК. Кроме того, в зависимости от вида добавки меняется ха­рактер кривой распределения пор по размерам.

Еще более заметное влияние на размеры пор оказы­вает концентрация добавки. Так, при с=0.15% средний
диаметр пор для Na-ДБК составляет 0,55—0,67 мм, а при £=0.05% */Ср=0.23мм. Аналогичная картина наблю­дается и при использовании сульфонала хлорного. Вме­сте с тем для таких добавок, как ДССК и ряд других, из­менение дозировки сушественно не влияет на конечное значение среднего диаметра пор.

Опыты показали, что при коротких режимах переме­шивания водотвердое отношение и длительность переме­шивания массы оказывают ошутимое влияние на объем вовлеченного воздуха и средний диаметр пор (см. таблицу).

Изменение температуры раствора от 20 до 70°С не ока­зывает существенного алияния на размеры пор. Образцы, изготовленные с применением червячной мешалки, име­ют меньший диаметр пор, нежели образцы, изготовлен­ные с использованием сетчатой и лопастной мешалок.

Изменение числа оборотов смесительного вала сет­чатой мешалки от 70 до 810 об/мин оказывает положи­тельное алияние на уменьшение среднего диаметра пор, особенно в начальные сроки перемешивания.

Увеличение длительности перемешивания также значительно влияет на характер распределения пор по размерам, приводя к нивелировке воздействия типа ме­шалки, водотвердого отношения, вида добавок, их кон­центраций и других технологических параметров.

Однако увеличение продолжительности перемешива­ния на заводах не может применяться повсеместно, так как это приведет к снижению производительности предприя­тия. Регулирование диаметра пор за счет длительности пере­мешивания целесообразно использовать л ишь при наличии запасных шлам-бассейнов и дополнительного смеситель­ного агрегата, например на заводах ячеистого бетона.

Введение воздухововлекаюших добавок в состав лег­кобетонной смеси заметно сказывается на показателях удобоукладываемости, что объясняется наличием ад­сорбционного эффекта на поверхности раздела фаз.

Известно, что одной из особенностей легкобетон­ных смесей является значительная разница между сред­ней плотностью раствора и пористого заполнителя. Она порождает отрицательную тенденцию к расслоению при вибрационном уплотнении, особенно при формо­вании изделий в кассетных установках.

Проведенными исследованиями установлено, что за счет повышения агрегативной устойчивости и плас­тичности бетонных смесей оксипроизводными сульфо - и карбоновых кислот представляется реальная возмож­ность повысить прочность и однородность цементного камня, тем самым обеспечить предварительное обжатие пористого заполнителя, повышающего его растяжи­мость в теле легкого бетона. При этом не наблюдается стекание цементного теста с поверхности заполнителей и обеспечивается равномерное обволакивание их зерен. Удается предотвратить седиментационные процессы, тем самым ликвидировать, особенно при вертикальной формовке, всплытие крупных заполнителей и обеспе­чить максимальную концентрацию и равномерное рас­пределение их в объеме бетона.

Следует отметить, что с целью получения бетонной смеси с высокой агрегативной устойчивостью и пластич­ностью необходимо в составе добавок ПАВ обеспечить «избыточное» количество едкого натра, то есть рН (актив­ная среда реакции) должен быть доведен до 12—14 [3].

Более 20 лет на ДСК. 1, 2 и 3 Главбакстроя (Баку, Азербайджан) керамзитобетонные панели наружных стен изготовляют с использованием ВВД — сульфанол хлорный, рН которого доводится именно до 12—14. За истекший период изготовлено более 600 тыс. м3 пори - зованных легкобетонных изделий. Бетонная смесь указанных изделий имеет высокую агрегативную устой­чивость и пластичность, а готовые изделия характеризу­ются однородной пористой макроструктурой. Морозо­стойкость указанных изделий почти в 2—3 раза выше по сравнению с контрольными (без добавок) за счет созда­ния в них оптимальной системы условно-замкнутых воздушных пор, играющих роль резервных объемов.

Таким образом, проведенные исследования показа­ли, что изменение некоторых параметров технологиче­ского процесса позволяет регулировать формирование пористой структуры материала в нужном направлении. При этом указанные мероприятия не требуют замены и перестройки технологического оборудования, а также не связаны с большими финансовыми расходами, за ис­ключением обеспечения в составе применяемого ВВД «избытка» едкого натра.

Список литературы

1. Крылов Б. А., Лысое В. П., Королева Г. П. Проблема воз­ведения зданий и сооружений из монолитного желе­зобетона // Бетон и железобетон. 1988. № 9. С. 13.

2. Гаджилы Р. А., Меркин А. П., Томашпольский А. Л. Ис­пользование продуктов и отходов нефтехимии в строительстве. Баку. Азернешр. 1987. С. 20—46.

3. Гаджилы Р. А. О механизме агрегативной устойчиво­сти дисперсных цементных систем. Депонирован­ный фонд ВНИИТИ. М.: 1989. С. 1-18.

Лишь незначительная (до 2°с) часть п роду кии и перевозится автосамос­валами из ДСЗ «Чаславль» на желез­нодорожную станцию «Беларусь» (до 10 км), гле отгружается в отда­ленные регионы республики (Брест, Гомель и др.).

Основным потребителем про­дукции (85 %) является Минск. Рас­стояние перевозки самосвалами в основном находится в пределах 30 км. При этом стоимость продук­ции удваивается.

Предприятия работают круглый год, в одну или две смены с плано­выми остановками для ремонтных работ. В настоящее время изучается целесообразность перехода всех или части предприятий на сезонный ре­жим работы.

Объем производства ОАО «Не - рудпром» за десятилетие снизился в 3.6 раза (табл. 3), хотя в среднем по республике производство нерудных строительных материалов сократи­лось в 5 раз. Продукция продается в основном по фиксированным иенам. Предприятие стремится про­изводить более глубокую переработ­ку минерального сырья, повышая рентабельность производства. Изме­няется структура продукции: сокра­тились поставки песчано-гравийной смеси с 5,7 ло 0,9%. увеличивается лоля шебня несмотря на уменьшение соде ржа н ия трави й но- валун ного ма­териала. в частности, мелких фрак­ции. Начат выпуск новой продук­ции — песка хля водяных фильтров Фрикции 1—2 uw, для производства которого смонтирована дополни­тельная технологическая линия.

Структура себестоимости за по­следнее десятилетие претерпела из­менения (тало. 4). Более 20*% затрат приходится на долю автоперевозок, что типично для песчано-гравийных карьеров, на которых расстояние транспортировки сырья до ДСЗ по мере развития горных работ увели­чивается. Затраты по заработной плате, если исключить стоимость перевозок, составляют около 20%, что соответствует доперестроечному периоду. Значительно возросли за­траты по рекультивации отработан­ных площадей. Основные направле­ния рекультивации — лесопосадки, зоны отдыха с водоемами. О качест­ве воды, которая скапливается на некоторых отработанных участках карьеров можно судить, в частности, по такому факту: в водоеме, образо­вавшемся на территории карьера «Кирши», уже несколько лет гнез­дятся лебеди и выводят птенцов.

Технологическое Оборудование изношено. Однако производимые амортизационные отчисления и низ­кая рентабельность производства не дают возможность не только произ­

Водить реконструкцию, но даже за­менять самые изношенные агрегаты.

В настоящее время предприятиям ОАО «Нерудпром» приходится пре­одолевать не только традиционные для горных предприятий трудности, ной возникшие в связи с изменением геополитической ситуации и законо­дательства (отвод земель, охрана окружающей среды, получение за­пасных частей из России и др.).

Данные табл. 4 показывают, что от 20 до 25% всех затрат составляют внутрикарьерные перевозки., кото­рые растут из года в год, в связи с этим в последние годы ОАО * Нерудпром» начало создава i ь у ста - новки по предварительному обога­щению горной массы в выработан­ном пространстве карьера. Такая

А. П. ОСОКИН, д-р техн. наук. проф.. З. Б. ЭНТИН, д-р техн. наук, проф. (ЗАО «Научно-технический центр»); Л. А. ФЕДНЕР, канд. техн. наук, проф., С. Н. ЕФИМОВ, канд. техн. наук, А. Б. САМОХВАЛОВ, канд. техн. наук (Московский автомобильно-дорожный институт (технический университет))