с 01.01.2007 по настоящее время
Россия
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Белгородская область, Россия
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.04.01 Строительство
Динамично развивающееся строительство Российской Федерации вызывает необходимость расширения спектра альтернативных видов вяжущих и материалов на их основе. К таким вяжущим относится композиционное гипсовое вяжущее, применяемое для производства материалов различного функционального назначения. Изготовление и применение изделий на основе композиционных гипсовых вяжущих стало возможным благодаря изучению системы портландцемент – гипс - вода, устойчивость которой обеспечивается вводом надлежащего количества активных минеральных добавок, снижающих концентрацию Са(ОН)2 в жидкой фазе твердеющей системы и создающей возможность твердения при определенных условиях без опасных внутренних напряжений. В данной статье рассматривается возможность получения эффективного ячеистого бетона на композиционном гипсовом вяжущем. Ячеистые бетоны по своей структуре, свойствам, способам получения превосходят некоторые традиционные материалы, а по эксплуатационным свойствам являются универсальными. В работе установлена возможность и целесообразность использования в качестве минеральной добавки в составе композиционного гипсового вяжущего для пенобетона тонкомолотого бетонного лома. Получены теплоизоляционно-конструкционные пенобетоны марок D600 и D700. Выявлено, что рациональной является постадийная загрузка компонентов бетонной смеси, с первоначальным вводом гипсового вяжущего.
ячеистый бетон, композиционное гипсовое вяжущее (КГВ), поризация, микроструктура
Введение. Опыт применения изделий из ячеистых бетонов в строительстве показал, что они могут успешно конкурировать с большинством традиционных стеновых материалов, сочетающих в себе высокие теплоизоляционные и конструктивные свойства, позволяют снижать толщину стены и массу конструкции. Для развития технологии ячеистых бетонов в современных условиях необходимо расширение номенклатуры технологически, экономически и экологически эффективных разновидностей вяжущих нового поколения, обеспечивающих получение высококачественных изделий [1–7].
Перспективными для этих целей являются пенобетоны на основе быстротвердеющих композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) повышенной водостойкости с активными минеральными добавками разного генезиса [8, 9]. По сравнению с другими широко применяемыми в настоящее время вяжущими они находятся в более предпочтительном положении, так как соответствуют всем современным требованиям с позиции развития строительных тенденций. Это можно объяснить: повсеместным наличием природного гипсового сырья и гипсосодержащих отходов, простотой и экологичностью их переработки в гипсовые вяжущие (ГВ) и строительные материалы на их основе с более низкими расходами топлива и энергии (например, в 4 и 5 раз ниже, чем при производстве цемента), простотой оборудования на производстве и др. Гипс не токсичен по своему химическому составу, а, следовательно, при переработке он не выделяет в окружающую среду CO2 и другие вредные вещества [10].
В связи с вышеизложенным, целью данной работы является подбор состава, разработка технологии приготовления пенобетонной смеси на основе КГВ, исследование структуры и свойств затвердевшего материала.
Методология. В работе для получения пенобетона (ПБ) на основе КГВ использовали следующие материалы: гипсовое вяжущее (ГВ) α-модификации ГВВС-16 (Г-16) ЗАО «Самарский гипсовый комбинат», портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ПАО «Мордовцемент» (ПЦ)и тонкодисперсные минеральные добавки (МД) из техногенного сырья:
- бетонный лом (БЛ) разрушенных зданий и сооружений, обладающий заметными вторичными вяжущими свойствами с наличием гидросиликатов кальция C2SH2, Ca(OH)2 и непрогидратированных клинкерных минералов (в основном белита);
- отсев дробления кварцитопесчаника зеленосланцевой степени метаморфизма Лебединского ГОКа (КВП). Его породообразующим минералом является кварц – среднее содержание 86,24 %, остальные минеральные компоненты представлены мусковитом, биотитом, альбитом, калиевым полевым шпатом, содержание которых может достигать 10...20 %. Химический состав применяемых минеральных добавок представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав минеральных добавок
|
Материал |
SiO2 |
Al2O3 |
Feоб |
CaO |
MgO |
SO3 |
Na2O+ K2O |
TiO2 |
ClO2 |
MnO2 |
ппп |
|
Кварцитопесчаник |
94,32 |
2,61 |
0,81 |
0,46 |
0,66 |
– |
0,22+0,65 |
0,16 |
– |
– |
0,65 |
|
Бетонный лом |
52,4 |
4,9 |
3,7 |
34,7 |
1,2 |
0,5 |
0.51+1,5 |
0,19 |
0,27 |
0,087 |
- |
В качестве синтетического пенообразователя для ПБ в соответствии с ТУ 2481-008-80824910-2012 применяли добавку «ПБ-Формула 2012» – синергетическую смесь анионактивных ПАВ со стабилизирующими и функциональными добавками, представляющую собой однородную жидкость светло-желтого цвета, плотностью в пределах 1000–1150 кг/м3 (при 20 ºС), pH=7,5–11, кратностью пены рабочего раствора с объемной долей продукта 4 % – не менее 8,0, устойчивостью пены в технологической среде (усадкой от первоначального объема) – менее 5 %.
Основные физико-механические показатели сырьевых и синтезированных материалов определялись в соответствии со стандартными методиками. Исследование фазового состава и структурных характеристик осуществлялось с помощью РФА и РЭМ TeskanMIRA 3.
Основная часть. Для приготовления КГВ в вибрационной мельнице предварительно производили помол МД до удельной поверхности 500–550 м2/кг с последующим смешиванием с ПЦ, совмещенным с кратковременным домолом, в результате которого происходит деструкция кремнеземистого компонента и образуется нарушенный микрослой с ограниченным количеством аморфной фазы SiO2, способствующий связыванию Са(ОН)2, выделяющемуся при гидратации алита. Снижается основность твердеющей системы с устранением условий роста высокоосновных гидроалюминатов кальция, эттрингита и образованием низкоосновных малорастворимых гидросиликатов кальция, а также происходит уплотнение микроструктуры со значительным повышением прочности и водостойкости материала.
На основе результатов определения активности МД было установлено, что их рациональное количество в составе вяжущего (при отношении МД/ПЦ=1:1) способствует стабильности его свойств и снижению концентрации СаО в водной суспензии вяжущего до требуемых пределов (согласно ТУ 21-31-62-89). Свойства КГВ представлены в таблице 2.
Таблица 2
Состав и свойства КГВ
|
№ |
ГВ |
ПЦ |
БЛ |
КВП |
В/Вяж |
Расплыв, мм |
Rсж, Мпа |
||
|
2 часа |
7 сут. |
28 сут. |
|||||||
|
1 |
60 |
20 |
20 |
– |
0,42 |
110 |
9,1 |
12,6 |
15,7 |
|
2 |
60 |
20 |
– |
20 |
0,42 |
120 |
6,2 |
11,9 |
14,8 |
Установлено, что тонкодисперсный БЛ более эффективен в качестве МД по сравнению с КВП. Наличие в составе БЛ негидратированного портландцемента и тонкодисперсных частиц, выступающих в качестве зародышей и центров кристаллизации в процессе структурообразования, а также играющих роль микровключений в матричном материале, способствует созданию достаточно прочной микроструктуры затвердевшего КГВ.
Подтверждением стабильности сформировавшейся структуры КГВ с минеральной добавкой БЛ являются результаты РФА и РЭМ в возрасте 2 час, 7 и 28 суток (рис.1). В исследованных пробах в качестве продуктов гидратации присутствуют: двуводный сульфат кальция (d=7,64; 4,29; 3,81; 3,071; 2,879; 2,686…Å); частично закристаллизованный тоберморитоподобный гидросиликат кальция (d=3,07; 2,79; 2,4; 2,1; 1,81…Å); следы гексагонального восьмиводногогидроалюмината кальция (d=10,1; 3,49; 2,87; 2,55…Å); кварц (d=3,35; 2,46; 2,22; 2,28; 2,133; 2,089…Å), портландит (d=4,93; 3,18; 2,63; 1,78…Å), следы эттрингита (d=5,61; 3,88; 2,57…Å).
Рис. 1. Фазовый состав КГВ с минеральной добавкой БЛ
Рис. 2. Микроструктура низкоосновных
гидросиликатов кальция на кристаллах гипса
Анализ микроструктуры исследуемых образцов показал (рис. 2, 3), что в композициях с БЛ образуются новообразования толщиной в 1–2 мкм, которые можно отнести с к С-S-Н- гелю, в основном имеющему переменный состав и аморфную природу. В его структуре также просматриваются слабо закристаллизованные области, обозначаемые как С-S-Н(I) и С-S-Н(II). Имеющиеся поры почти полностью зарастают мелкими кристаллами гидросиликатов кальция, приобретающих морфологию дендритоподобных образований и создающих уплотненную оболочку вокруг частиц гипса. За счет гидросиликатов такой морфологии затвердевшее КГВ упрочняется.
К 28 суткам оболочка гидросиликатов становится достаточно плотной, частицы объединяются в непрерывную мелкокристаллическую (≤0,1 mkm) структуру с упрочненными связями, предположительно гидросиликатов, гидроалюмосиликатов, гидроаллюмо-ферритов кальция и двуводного сульфата кальция, как результат твердения портландцемента и полуводного гипса.
Основным и самым значимым этапом производства пенобетонных изделий является их поризация [11–13]. В связи, с чем в лабораторных условиях были проведены испытания по взаимодействию каждого компонента пенобетонной смеси с пенообразователем «ПБ-Формула». Для этого с помощью миксера в течение одной минуты готовилась пеномасса из пенообразователя и воды, в которую добавляли с постоянным перемешиванием каждый из компонентов КГВ, готовую смесь заливали в формы размером 10×10×10 см, рассчитывая степень их заполнения и сравнивая объем полученных пеномасс. На основе полученных результатов для приготовления более устойчивой пенобетонной смеси в лабораторных условиях была предложена схема постадийной загрузки ее компонентов в смеситель.
Таблица 3
Взаимодействие компонентов композиционного гипсового вяжущего
с синтетическим пенообразователем «ПБ-Формула»
|
Наименование компонента |
В/В |
Количество пенообразователя «ПБ Формула», мл/кг |
Степень заполнения формы, см3 |
|
Гипс Г-16 |
0,5 |
2 |
>1000 |
|
Цемент ЦЕМ I |
0,5 |
2 |
950 |
|
Тонкодисперсный БЛ |
0,5 |
2 |
820 |
Чтобы пеномасса не потеряла свою форму в результате ввода в нее всех компонентов вяжущего, в первую очередь необходимо вводить ГВ, в результате гидратации, которого и последующей кристаллизации двуводного гипса, его схватывания, создается более однородная и устойчивая микроструктура пеногипсовой массы, стабильная при последующем вводе остальных компонентов вяжущего.
При перемешивании за счет вращения ротора пенобетоносмесителя и отражательных лопастей, закрепленных на его стенках, создаются мощные радиальные и тангенциальные потоки, которые приводит к дополнительной диспергации частиц и вовлечению воздуха в готовую смесь, а добавка «ПБ-Формула» их стабилизирует. То есть, одновременно протекают два процесса. Первый связан с захватом воздуха при перемешивании, с захлопыванием каверн в смеси при разрыве потока лопастями активатора и дальнейшей диспергации пузырьков при возникающих сдвиговых нагрузках в смеси за счет радиальных и тангенциальных потоков, а второй процесс – это захват и фиксация пузырьков воздуха твердыми частицами смеси.
Рис. 3. Микроструктура затвердевшего КГВ с минеральной добавкой БЛ:
а) через 2 час; б) через 7 сут; в) через 28 сут
Диаметр пор и толщина межпоровых перегородок в основном определяет прочностные и теплофизические свойства материала [14–16]. Для повышения этих показателей необходимо добиваться мелкопористой структуры с малодефектными и достаточно прочными межпоровыми перегородками.
Как показали результаты исследования, в разработанном составе ПБ размер пор находится в интервале от 0,05 до 0,6 мм при размере межпоровых перегородок 0,17…0,35 мм. На рисунке (4, а) отчетливо видно равномерное распределение пор меньшего диаметра между более крупными порами в пенобетонном образце с полидисперсной структурой. Установлено наличие «контактных дыр» и трещин, что, возможно, связано с неравномерным распределением пенообразователя и возникновению перепада давлений между соседними порами, что негативно сказывается на свойствах ПБ.
Микроструктура стенки межпоровой перегородки (рис. 4, б, в) к внешней стороне поры более плотная, а к внутренней - более рыхлая. На ее поверхности отчетливо видны сформированные кристаллы гипса, «игольчатые» кристаллы гидросиликатов кальция, просматриваются неровности и микропористость поверхности пор.
Таблица 4
Физико-механические характеристики пенобетона
|
№ |
Состав, % |
Степень заполн. формы, % |
В/Вяж |
Кол-во ПО, мл/кг |
λ, Вт/м·К |
ρ, кг/м3 |
Rсж (7 сут), МПа |
Rсж (28сут), МПа |
||
|
ГВ |
ПЦ |
БЛ |
||||||||
|
1 |
60 |
20 |
20 |
100 |
0,5 |
2 |
0,14 |
600 |
0,9 |
1,2 |
|
2 |
60 |
20 |
20 |
100 |
0,5 |
2 |
0,18 |
700 |
1,3 |
1,5 |
Рис. 4. Микроструктура поризованного гипсоцементного камня с минеральной добавкой
тонкодисперсного БЛ (а ) и межпоровой перегородки ПБ (б и в)
Выводы. Установлена возможность и целесообразность использования в качестве минеральной добавки в составе КГВ для пенобетона тонкодисперсных отходов бетонного лома.
На основе КГВ, включающего гипсовое вяжущее, портландцемент, тонкомолотый бетонный лом, пенообразователь «ПБ-Формула» получены теплоизоляционно-конструкционные пенобетоны марок D600 и D700, имеющие следующие характеристики: ρ=600 кг/м3, Rсж=1,2 МПа, λ=0,14 Вт/(м·К); ρ=700 кг/м3, Rсж=1,5 МПа, λ=0,18 Вт/(м·К).
По результатам сравнения объема полученных пеномасс выявлено, что гипсовое вяжущее создает более стойкую пену для дальнейшего ввода компонентов. Рациональной является постадийная загрузка компонентов бетонной смеси, с первоначальным вводом гипсового вяжущего. Предлагаемая технология получения теплоизоляционно-конструкционного пенобетона на основе КГВ оптимизирует структуру композита и улучшает строение межпоровых перегородок. Поры равномерно распределены, имеют размер от 0,05 до 0,6 мм и толщину межпоровой перегородки равной 0,25 от их радиуса.
Источник финансирования. РФФИ в соответствии с исследовательским проектом № 18-29-24113.
1. Серова Р. Ф., Касумов А. С., Величко Е. Г. Проблемы производства и применения ячеистого бетона // Фундаментальные исследования. 2016. № 7-2. С. 267-271.
2. Fatheali A Shilar, Mubarakali Shilar. Experimental study on partial replacement of cement with mineral admixtures and sand with quarry dust // International Journal of Advanced Science and Engineering. Vol. 5. No.4. 2019. 1169-1173.
3. Елистраткин М.Ю., Глаголев Е.С., Абсиметов М.В., Воронов В.В. Композиционное вяжущее для конструкционного ячеистого бетона // Materials Science Forum. 2019. Т. 945, С. 53-58. doihttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.53
4. Поспелова Е.А., Елистраткин М.Ю., Нецвет Д.Д. Статистический анализ как инструмент повышения качества изделий из ячеистого бетона. Applied Mechanics and Materials. 2014. T. 670-671. C. 1624-1628.
5. Алфимова Н.И., Пириева С.Ю., Гудов Д.В., Шураков И.М., Корбут Е.Е. Оптимизация рецептурно-технологических параметров изготовления ячеистобетонной смеси // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №2. С. 30-36.
6. Ramamurthy K., Nambiar E.K.K., Ranjani G.I.S. A classification of studies on properties of foam concrete // Cement and Concrete Composites. Vol. 31. No. 6. 2009. Pp. 388-396.
7. Tan X., Chen W., Hao Y., Wang X. Experimental study of ultralight (<300 kg/m3 ) foamed concrete // Advances in Materials Science and Engineering. Volume 2014, Article ID 514759, 7 p. http://dx.doi.org/10.1155/2014/514759
8. Чернышева Н.В., Дребезгова М.Ю., Евсюкова А.С., Кузьмина Т.С., Бурьянов А.Ф. Композиционные гипсовые вяжущие для "зеленого" строительства // Наукоемкие технологии и инновации: сб. материалов международной научно-практической конференции. 2016. С. 443-449.
9. Chernysheva N.V., Lesovik V.S., Drebezgova M.Yu., Shatalova S.V., Alaskhanov A.H. Composite gypsum binders with silica-containing additives // International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems 2017, Material Science in Mechanical Engineering. (2018) 032015.
10. Чернышева Н.В., Шаталова С.В., Евсюкова А.С., Фишер Ханц-Бертрам. Особенности подбора рационального состава композиционного гипсового вяжущего // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №2. С. 45-52.
11. Farnaz B., Bindiganavile V. Air-void size distribution of cement based foam and its effect on thermal conductivity // Construction and Building Materials. Vol. 149. 2017. Pp. 17-28.
12. Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Кожухова М.И., Алфимова Н.И., Чепурных А.А. рН-показатель среды как фактор формирования поровой структуры пен // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №8. С. 101-108.DOI:https://doi.org/10.12737/article_5b6d586ca043d4.17885788
13. Аниканова Т.В., Погромский А.С. Применение полуводного сульфата кальция для интенсификации процессов твердения конструкционно-теплоизоляционного пенобетона // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №3. С. 25- 32.
14. Патент 2266271 Российская федерация, МПК: 7C 04B 38/10 A, 7C 04B 40/00 B. Способ получения теплоизоляционного ячеистого бетона (варианты) / Шахова Л.Д., Хребтов А.Е., Черноситова Е.С.; заявитель и патентообладатель БГТУ им В.Г. Шухова № 2004112123/03, заявл. 20.04.2004, опубл. 2005 г.
15. Патент 2412136 Российская федерация, МПК: C 04 B 38 10, C 04 B 40 00, B 82 B 1 00. Смесь для пенобетона на основе наноструктурированного вяжущего (варианты), способ изготовления изделий из пенобетона (варианты) / Лесовик В.С., Строкова В.В., Череватова А.В., Павленко Н.В.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова № 2009134917/03, заявл. 21.09.2009, опубл. 2011г.
16. Крылов Б.А., Кириченко В.В. Энергоэффективная технология производства пенобетонных изделий // Технологии бетонов. 2013. № 12 (89). С. 47-49.
