аспирант с 01.01.2015 по настоящее время
Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ББК 383 Строительные материалы и изделия
ТБК 54 Строительство
ТБК 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
BISAC ARC024000 Buildings / General
в статье рассмотрена возможность регулирования за счет изменения количества алюминиевой пасты, температуры воды затворения и бортов формы сроков вспучивания формовочной смеси автоклавного газобетона и достижения заданной максимальной температуры массива, от которой зависит характер поровой структуры и физико-механические свойства изделий. С использованием метода математического планирования эксперимента получены математические модели оптимизации физико-механических свойств автоклавного газобетона за счет регулирования технологических и рецептурных параметров. Установлено, что оптимальными параметрами являются температура воды затворения 40…45°С, количество алюминиевой пасты – 0,6 % от массы вяжущего, температура бортов формы 85…90°С, при которых создаются благоприятные условия для вспучивания газобетонной смеси и совмещения во времени процессов порообразования и набора структурной прочности массива, позволяющие получить оптимальную пористую структуру с более мелкой и равномерной пористостью при достаточно низкой плотности и высокой прочности.
газобетон, температура воды затворения, температура бортов формы, процесс поризации, газообразователь
Введение. Свойства газобетона зависят от качества применяемых сырьевых материалов и правильно установленного и подобранного режима изготовления. Из-за неправильно подобраных компонентов, их количества или технологических параметров могут появляться различного рода дефекты, такие как трещины и разрывы, возникающие в процессе реакции вспучивания массива из-за несоответствия скорости роста объема массива и твердения, чрезмерного давления водяного пара и водорода внутри массива при высокой вязкости смеси или высокой скорости процесса роста объема массива при повышенной скорости набора сырцовой прочности газобетона, что может быть обусловлено повышенным содержанием в смеси извести, цемента или обратного шлама, использованием слишком тонкодисперсной и активной алюминиевой пасты, слабообожженной извести, тонкомолотого сырья, цемента с добавками, высокой температурой заливки смеси, повышенной вязкостью смеси из-за низкого водотвердого отношения смеси или высокой прочностью поверхностного натяжения пленки воды в бетонной смеси [1…6].
Прочность газобетона является обратной функции средней плотности, которая напрямую зависит от пористости, характер которой также зависит от многих параметров. Например, при использовании быстрогасящейся извести структура ячеистого бетона неравномерная, поры сообщающиеся и большого диаметра, поэтому необходимо применение замедлителей ее гашения, а при очень тонком помоле кремнеземистого компонента и при уменьшении В/Т в ячеистом бетоне образуется большое количество пор малого диаметра [7].
Основная часть. С целью изучения влияния температуры воды затворения на разогрев и вспучивание формовочной смеси и свойства автоклавного газобетона образцы формовали в формах размерами 100×100×300 мм. В качестве сырьевых материалов применяли портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Н (г. Старый Оскол), известь воздушную кальциевую негашеную производства ОАО «Цех обжига извести» (г. Старый Оскол) и кварцевый песок (Белгородская обл.), природный гипс, химический состав которых приведен в табл. 1, и пасту алюминиевую производства фирмы ECКART, Германия.
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов, мас. %
|
|
SiO2 |
Al2О3 |
Fe2О3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
R2O |
CaOсв |
Na2O |
K2O |
TiO2 |
P2O5 |
ппп |
|
Портландцемент |
22,49 |
4,77 |
4,40 |
67,22 |
0,44 |
2,45 |
0,62 |
0,35 |
– |
– |
– |
– |
0,23 |
|
Известь |
3,17 |
0,99 |
0,17 |
80,92 |
1,42 |
1,03 |
0,56 |
– |
– |
– |
– |
– |
11,56 |
|
Гипс |
0,6 |
0,64 |
0,08 |
38,56 |
1,01 |
52,85 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
6,67 |
|
Песок кварцевый |
94,9 |
3,46 |
0,284 |
0,282 |
0,064 |
– |
– |
– |
0,107 |
0,28 |
0,159 |
0,046 |
– |
Начальную температуру формовочной смеси регулировали, меняя температуру воды затворения от 30 до 60°С. При использовании воды с температурой 30°С температура формовочной смеси низкая, вследствие чего вспучивание происходит медленно (рис. 1). Так при температуре воды затворения 30°С формовочная смесь начинает вспучиваться только на 6 мин, в то время как при температурах 35°С и 60°С вспучивание начинается уже на 3 мин. Максимальная температура массива 91°С достигается соответственно за 9 мин при температуре воды затворения 60°С, однако такой быстрый процесс вспучивания приводит к разрыву газовых пор и созданию рваной ячеистой структуры с неравномерными, большого диаметра сообщающимися порами, что неблагоприятно сказывается на таких свойствах как прочность и теплопроводность (рис. 1). Оптимальной температурой воды затворения, при которой создаются благоприятные условия для вспучивания газобетонной смеси, получения оптимальной пористой структуры с более мелкой и равномерной пористостью при высокой прочности является температура равная 45°С, при которой смесь начинает вспучиваться уже через 3 мин, а максимальная температура формовочной смеси 72°С достигается только через 12 мин, что позволяется совместить во времени процессы порообразования и набора структурной прочности массива.
Рис. 1. Влияние температуры воды затворения на разогрев массива газосиликата:
На температуру газобетонной смеси в форме может влиять также и температура самой формы, повышая температуру смеси у бортов, при этом чем дальше от формы, тем меньшее влияние будет оказывать температура формы на температуру смеси. Вследствие чего у бортов формы за счет более высокой температуры процесс порообразования будет идти более активно, а чем дальше вглубь массива, тем меньше, что будет способствовать созданию вариатропной структуры газобетона за счет плавного перехода плотности от меньшей к большей от бортов формы вглубь массива.
Также на плотность газобетона при прочих равных условиях влияет и расход газообразователя, в данном случае алюминиевой пасты, но слишком большое количество газообразователя может привести к слишком быстрому вспучиванию, вследствие чего произойдет прорывание газовых пор и создание рваной ячеистой структуры, что также негативно скажется на свойствах изделия.
Для изучения совместного влияния этих факторов на свойства газобетона были проведены исследования с использованием метода математического планирования эксперимента [8]. В качестве варьируемых независимых технологических факторов были выбраны: температура воды затворения (Х1); количество алюминиевой пасты (Х2) и температура бортов формы (Х3). В качестве контролируемых параметров были выбраны: средняя плотность (ρср) и прочность газобетона (Rcж). Выбранные технологические факторы были исследованы в пределах, указанных в табл. 2. Факторы, не вошедшие в план эксперимента, приняты постоянными.
Таблица 2
Условия планирования эксперимента
|
Фактор |
Уровень варьирования |
Интервал варьирования |
|||
|
натуральный вид |
кодированный вид |
– 1 |
0 |
+1 |
|
|
Температура воды затворения, °С |
Х1 |
30 |
45 |
60 |
15 |
|
Аl паста, % от массы вяжущего |
Х2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
0,2 |
|
Температура бортов формы, °С |
Х3 |
50 |
70 |
90 |
20 |
Эксперимент проведен по трехуровневому плану и результаты представлены в табл. 3.
Таблица 3
Матрица планирования и экспериментальные данные
|
№ точки плана |
Фактор |
ρср, кг/м3 |
Rсж, МПа |
||
|
Х1 |
Х2 |
Х3 |
|||
|
1 |
+1 |
+1 |
+1 |
580 |
1,7 |
|
2 |
+1 |
+1 |
–1 |
420 |
2,1 |
|
3 |
+1 |
–1 |
+1 |
540 |
2,1 |
|
4 |
+1 |
–1 |
–1 |
540 |
4,4 |
|
5 |
–1 |
+1 |
+1 |
450 |
2,2 |
|
6 |
–1 |
+1 |
–1 |
540 |
5,1 |
|
7 |
–1 |
–1 |
+1 |
720 |
7,3 |
|
8 |
–1 |
–1 |
–1 |
870 |
6,5 |
|
9 |
+1 |
0 |
0 |
380 |
4,2 |
|
10 |
–1 |
0 |
0 |
480 |
3,4 |
|
11 |
0 |
+1 |
0 |
390 |
3,1 |
|
12 |
0 |
–1 |
0 |
580 |
4,2 |
|
13 |
0 |
0 |
+1 |
407 |
4,4 |
|
14 |
0 |
0 |
–1 |
480 |
3,47 |
|
15 |
0 |
0 |
0 |
530 |
3,51 |
|
16 |
0 |
0 |
0 |
565 |
3,47 |
|
17 |
0 |
0 |
0 |
570 |
3,41 |
– для средней плотности
Y1 = 481,026 – 60×Х1 − 87×Х2 – 15,3×Х3 + 6,26×Х12 + 61,26×Х22 +
+ 19,76×Х32 + 65×Х1×Х2 + 50×Х1×Х3 + 27,5 ×Х2×Х3,
– для прочности на сжатие
Y2 = 3,59 – 1,0×Х1 – 1,03×Х2 – 0,387×Х3 + 0,123× Х12 – 0,0,27×Х22 +
+ 0,258× Х32 + 0,475×Х1×Х2 – 0,075×Х1×Х3 – 0,225×Х2×Х3 ,
где Х1 = 
, Х2 = 
Х3 = 
Комплексное представление о влиянии исследуемых факторов на среднюю плотность и прочность на сжатие получено с помощью построенных номограмм (рис. 2).
Рис. 2. Зависимости средней плотности и прочности на сжатие автоклавного газобетона от температуры воды затворения и бортов формы и количества алюминиевой пасты:
1 – температура воды затворения = 30°С; 2 – температура воды затворения = 45°С;
3 – температура воды затворения = 60°С
Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что физико-механические свойства зависят не только от вида сырьевых компонентов, их качества и количества, но и от многих других параметров, в частности температуры воды затворения и бортов формы. Так при низкой температуре воды затворения (45°С) и при температуре массива (70…75°С) процесс вспучивания происходит медленно, что позволяет создавать более равномерную макроструктуру с более мелкой и равномерной пористостью при достаточно низкой плотности и высокой прочности, чем при быстром вспучивании. А при температуре воды затворения (60°С) и температуре массива 95…100°С прочность газобетона снижается, это объясняется тем, что с повышением температуры вяжущее гидратирует и связывается очень быстро, а водород, выделяющийся в ходе процесса газообразования, начинает частично разрушать уже сформированную затвердевающую макроструктуру, которая к тому же разрушается парами, создающимися при высокой температуре формовочной смеси, и образовавшиеся сообщающиеся поры и микротрещины уменьшают прочность массива.
Выводы. С целью сокращения сроков технологических операций и улучшения физикo-механических свойств газобетона за счет создания оптимальных условий для вспучивания массива и формирования оптимальной поровой структуры рекомендуется температуру воды затворения регулировать в интервале 40…45°С, количество алюминиевой пасты – 0,6 % от массы вяжущего, а температуру бортов формы 85…90°С.
1. Кафтаева М.В., Рахимбаев Ш.М. Обоснование технологии производства энергоэффективных автоклавных силикатных газобетонов. Белгород, 2015. 258 с.
2. Лаукайтис А.А. Прогнозирование некоторых свойств ячеистого бетона низкой плотности. 2001. №4. С. 27-29.
3. Лаукайтис А.А. Влияние температуры воды на разогрев формовочной смеси и свойства ячеистого бетона // Строительные материалы. 2002. №2. С. 37-39.
4. Гаджилы Р.А. Целенаправленное изменение пористой структуры строительных материалов // Строительные материалы. 2001. №8. С. 41-43.
5. Кара К.А., Шорстов Р.А., Сулейманов К.А., Воронов В.В. Реология газобетонных смесей на композиционных вяжущих с использованием техногенных песков // В сборнике: Наукоемкие технологии и инновации Юбилейная Международная научно-практическая конференция, посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения). 2014. С. 169-175.
6. Сулейманова Л.А., Кара К.А., Коломацкая С.А., Шорстов Р.А., Сулейманов К.А. Стадии роста газовых пор в ячеистобетонных смесях // В сборнике: Эффективные строительные композиты Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук Баженова Юрия Михайловича. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2015. С. 611-614.
7. Биховских А.Е. Исследование технологических факторов формирования технологических свойств газосиликата для индустриального термоизолирования труб бесканальных тепловых сетей: автореф. дис. … канд. техн. наук. Каунас, 1967.
8. Сулейманова Л.А. Компьютерное моделирование технолого-экономических задач: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 270106 - Производство строительных материалов, изделий и конструкций. Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. 56 с.
