Ячеистый бетон для ограждающих изделий высотных зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ячеистый бетон для ограждающих изделий высотных зданий

ВВЕДЕНИЕ

ячеистый бетон структура

Общая характеристика диссертации. В Казахстане принята Государственная программа развития промышленности строительных материалов и конструкций на 2005-2014 годы. Сформирован первый отечественный кластер, сохранена действующая нормативная база бывшего союза. В связи с интенсивным строительством высотных многофункциональных зданий нового поколения разработан СНиП РК. Значительный рост высотного строительства резко увеличил потребность в материалах и конструкциях. Однако, несмотря на увеличивающиеся с каждым годом объемы производства, спрос по-прежнему превышает предложения. Образовавшийся дефицит покрывается импортом.

В связи с этим в Республике остро стоит вопрос об организации импортозамещающих производств строительных материалов на собственной минерально-сырьевой базе.

Наиболее эффективными материалами для этих целей ученые и производственники многих стран мира считают ячеистые бетоны отличающиеся рядом уникальных свойств. Легкий, теплый и хорошо обрабатываемый ячеистый бетон может способствовать решению строительной проблемы страны, так как из кубометра минерального сырья, за счет вовлечения воздуха, можно получить до 3-4 кубометров высоко-эффективных изделий и конструкций.

Актуальность темы исследования. В современной мировой строительной практике идет динамичный рост производства ячеистого бетона, большую часть которого составляют ограждающие изделия в общем объеме зданий, занимающих 45-60 %.

Проблемой современного строительства высотных зданий является общее удорожание строительства и неудовлетворительные эксплуатационные характеристики многослойных ограждающих изделий: это большой вес и неоднородность изделий по плотности, прочности и теплопроводности, сложность и ненадежность крепления теплоизоляционного слоя, который отличается легкой сгораемостью и недолговечностью.

Кроме того, происходит высокая воздухопроницаемость многослойных стен при ветровой нагрузке из-за зазоров и трещин между изделиями в результате больших отклонении предельных размеров изделий, их усадкой и несплошностями, образованных растворной кладкой, а также зазоры в местах крепления теплоизоляционного слоя к изделию и между плитами наружного защитного слоя.

В связи с высотным строительством во всем мире, в том числе в Казахстане, весьма актуально решение проблемы ограждающих изделий, отвечающих современным возросшим требованиям по теплозащите, пожаробезопасности, санитарным нормам, надежности в эксплуатации и долговечности, нашедшие отражение в технических регламентах, ГОСТ, СНиП и в принятой европейским союзом директиве по строительным материалам и изделиям.

Это один из важнейших критериев при оценке пригодности высотных зданий к эксплуатации. Ячеистый бетон не горит и не поддерживает горение, не содержит горючих компонентов, при горении не выделяет токсичных веществ, обладает высокими теплоизолирующими качествами, в том числе в условиях пожара сохраняет в течение длительного времени целостность и несущую способность. Материал обладает также высокой теплоаккумулирующей способностью, коэффициент экологичности равен 2, для сравнения у дерева I, керамического кирпича 10, содержание естественных радионуклидов в 10 раз ниже нормы и соответствует самым строгим санитарно-гигиеническим требованиям. Весьма эффективен ячеистый бетон, применяемый в высотных зданиях в сейсмических районах Китая, Японии и Мексики, за счет эффекта пропорционального снижения веса зданий в несколько раз и сейсмической нагрузки на фундамент и грунт.

Несмотря на видимые преимущества, имеются нерешенные проблемы. Так, ограничено применение неавтоклавных ячеистых бетонов из-за повышенной послетепловлажностной обработки влажности и усадки изделий, большого расхода цемента. У пенобетонов существенный разброс свойств по плотности и прочности, осадка пенобетонной массы, значительная седиментация твердых составляющих бетона. Одной из важных проблем ограждающих изделий из ячеистых бетонов является повышение прочностных характеристик на изгиб. Актуальным остается вопрос более широкого использования промышленных отходов и некондиционного сырья. Одной из важнейших задач современного высотного строительства является сокращение энергозатрат и энергосбережение с повышением прочностных показателей и долговечности ограждающих изделий и конструкций плотностью 500 кг/м³ и перевод их в разряд конструкционно-теплоизоляционных. Актуальным является решение ряда технологических проблем заводского производства газобетонных изделий и конструкций заданной прочности, плотности и долговечности, связанных с совершенствованием пооперационного контроля технологических операций.

Огромные капиталовложения в высотное строительство требуют создание высококачественных и долговечных изделий и конструкций. В противном случае, считает проф. Б. А. Крылов, следующее поколение будет большую часть ресурсов расходовать на преждевременный демонтаж и ремонт зданий, доставшихся им в наследство от нашего поколения, таким образом, мы оставим для них тяжелый груз проблем, если сейчас не решим вопрос качества и долговечности изделий и конструкций. В данное время дефицит строительных материалов привел к тому, что в дело идут материалы низкого качества и долговечности, причем как отечественные, так и импортные.

Цель работы - совершенствование управления технологическими процессами, целенаправленное влияние на получение бетона с комплексом заданных строительно-технических свойств и долговечностью, для чего необходимо:

- изучить влияние различного минерального сырья, добавок различного назначения, технологических факторов, структуры межпоровой перегородки и развитой микро- и макропористой структуры на физико-технические свойства и долговечность ячеистого бетона;

- разработать теоретические предпосылки и получить практические результаты по производству качественных и долговечных ячеистых бетонов;

- установить влияние климата Казахстана на долговечность ограждающих изделий из ячеистого бетона и методы их прогнозирования.

Научная новизна работы. На основе анализа теорий и гипотез прочности и долговечности исскусственных конгломератов и капиллярно-пористых систем, используя современные методы физико-химических и натурных исследований, разработаны теоретические предпосылки и получены практические результаты по производству качественных и долговечных ячеистых бетонов для ограждающих изделий высотных зданий.

При этом:

- теоретически обосновано и экспериментально доказано преимущест-венное влияние периодически меняющейся влажности окружающей среды, на снижение физико-технических свойств и долговечность, причем степень этого влияния напрямую зависит от качественного и количественного соотношения микро- и макропор ячеистого бетона;

- установлено, что долговечность ограждающих изделий из газобетона и пенобетона автоклавного и неавтоклавного твердения зависит от климатических условий эксплуатации;

- экспериментально получена количественная оценка возникающих внутренних напряжений в ячеистых бетонах разной плотности автоклавного и неавтоклавного твердения при добавлении в состав бетона аморфных кремнеземистых компонентов, и разработаны технологические рекомендации, снижающие это влияние на долговечность изделий из ячеистых бетонов;

- установлено, что волластонит (метасиликат кальция) устойчив в щелочной среде и повышенных температурах насыщенного пара при автоклавной обработке и не теряет своих армирующих свойств, существенно повышая прочность на изгиб ячеистых бетонов;

- установлено, что разработанная технология ячеистого бетона плотностью D 500 и классом по прочности В3,5, по своим техническим характеристикам соответствует конструкционно-теплоизоляционным бетонам;

- развито новое направление в производстве эффективных видов ячеистого бетона неавтоклавного твердения, на основе использования серы и золы-унос Экибастуза, обладающих низкой усадкой, влажностью, и теплопроводностью за счет высокой активности кислой золы-унос при ее известковой активации и упрочнения межпоровой перегородки расплавленной серой;

- установлено, что республиканские нормы, предъявляемые к сырью, выше, чем требования ряда зарубежных фирм по химико-минералогическому составу и добавкам, влияющим на качество и долговечность ячеистых бетонов;

- установлено, что качество ячеистых бетонов во многом зависит от однородной по составу извести, сроков хранения и транспортирования, сроки гашения должны находиться в пределах 10-15 мин, позволяющие исключить импортные замедляющие добавки;

- установлено, что качественные показатели однородности по прочности и плотности пенобетонов повышаются, а осадки пенобетонной смеси и седиментационные процессы существенно снижаются при организации одномодального распределения сферической формы макропор, равномерно распределенных по телу бетона.

- установлено, что качество и долговечность автоклавного газобетона, производимого по резательной технологии, зависит от оптимизации состава бетона на смешанном вяжущем, порового пространства и прочности межпоровой перегородки, в результате повышения устойчивости газобетонной смеси к просадке, расслоению и резательным усилиям и преобладанию в продуктах гидратации низкоосновных гидросиликатов кальция.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований теории и практики формирования прочности и стойкости ячеистых бетонов;

- результаты исследований влияния видов сырья (природных, промышленных отходов и некондиционных) и технологии производства на физико-технические и эксплуатационные свойства ячеистых бетонов - газобетонов и пенобетонов автоклавного и неавтоклавного твердения;

- результаты исследований полученного ячеистого бетона с повышенными физико-техническими и деформативными свойствами с использованием отходов нефтепереработки;

- результаты совершенствования технологии и свойств неавтоклавного ячеистого бетона (газобетона и пенобетона) пониженной плотности с использованием золы-уноса и барханного песка;

- результаты исследования газобетонов и пенобетонов с использованием в качестве кремнеземистого компонента метасиликатов кальция (природного волластонита), обеспечивающих высокие прочности на растяжение при изгибе и эксплуатационную стойкость;

- результаты теоретического обоснования и совершенствования технологии и свойств пенобетона, с решением проблемы стабилизации плотности и прочности, осадки пенобетонной смеси и снижения седиментации твердых составляющих бетона;

- результаты по заводскому совершенствованию технологии повышения качества и долговечности газобетонных ограждающих изделий высотных зданий.

Апробация практических результатов. Для высотных зданий разработана резательная технология конструкционно-теплоизоляционного автоклавного газобетона, маркой бетона по средней плотности D500, классом по прочности на сжатие В3,5; средней прочностью 4,5 МПа, коэффициентом теплопроводности =0,12 Вт/(м⁰С) в сухом состоянии, маркой по морозостойкости F75, на смешанном известково-цементном вяжущем.

На ТОО «АиЗа» г. Шымкента внедрены результаты научно-исследовательских и технологических работ по пуску и эксплуатации линии газобетонных блоков автоклавного твердения по резательной технологии. Выпущены газобетонные стеновые блоки 1800м³, плотностью D600 кг/м³, класс по прочности на сжатие В2, марка по морозостойкости F35.

Совместно с ГУП «НИИМосстрой» разработаны теплоизоляционные ячеистые бетоны плотностью D 400-450 кг/м³ с коэффициентом теплопроводности = 0,09 Вт/м°С, стеновые блоки и перегородочные плиты с плотностью D 600 ± 20 кг/м³, прочностью на сжатие класса В 3.0, маркой по морозостойкости F50 и с коэффициентом теплопроводности =0,13 Вт/м°С согласно требованиям ГОСТ и требованиям новых норм теплосопротивления ограждающих конструкции. Результаты исследований были использованы при разработке технологии на Лискинском заводе ячеистого бетона (г. Лиски Воронежской области) и Ступинском заводе ячеистого бетона (Московская область). Только по объектам г. Москвы за счет применения разработанных однослойных ячеистобетонных изделий вместо трехслойных прибыль может составить 52,5 млн. руб. (257,25 млн. тенге).

Совместно с лабораторией ячеистых бетонов ГУП НИИЖБ им. А. А. Гвоздева г. Москвы разработаны составы и технология пенобетонов с низкими усадочными и седиментационными свойствами и улучшенными реологическими свойствами бетонной смеси. На Ступинском заводе ячеистого бетона выпущено 1500 м³ ячеистобетонных блоков.

Результаты исследований внедрены компанией ЗАО «LUXTON» в
строительство и реконструкцию жилых домов в Центральном административном округе г. Москвы и ряде поселков Московской области.

Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы отражены в монографии «Ячеистые бетоны» (Алматы: ?ылым, 2008. 384 с.) и используются ИТР заводов ячеистого бетона г. Астаны, ТОО «Альянс МТС» и «Экотон плюс», а также включены в программы учебных дисциплин «Строительные материалы», «Технология стеновых материалов», «Технология бетонных и железобетонных изделий», «Автоклавные материалы» для студентов и магистрантов специальности 050730 - «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Получено два патента Республики Узбекистан: №1АР20090359 и №АР20090360 от 16.02.2010г.

Основные результаты докладывались и обсуждались на: научно-практической конференции «Строительные материалы XXI века», ЗАО НИИстромпроект (Алматы, 2001 г.); международной научно-практической конференции «Инженерная наука на рубеже XXI века». Труды Национальной инженерной академии Республики Казахстан (Алматы, 2001 г.); международной научно-практической конференции «Проблемы химической технологии неорганических, органических, силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров». Труды ЮКГУ им. М. Ауезова. (Шымкент, 2002 г.); международной научно-практической конференции «Проблемы естественно-технических наук на современном этапе». Труды Министерства образования и науки Кыргызской Республики и Кыргызского государственного университета, транспорта и архитектуры (Бишкек, 2002 г.); международной научно-практической конференции, посвященной 60-летнему юбилею Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауезова (Шымкент, 2003 г.); заседании Ученого Совета ГУП «НИИ Мосстроя» протокол № 13 от 18.11.2004 г. (Москва, Россия); Третьей международной конференции «Транспорт Евразии: взгляд в ХХI век», КазАТК (Алматы, 2004 г.); II Всероссийской Международной конференции по бетону и железобетону (Москва 5-9 сентября 2005 г.); Международной научно-практической конференции ТОО «НИИстромпроект». Эффективные модифицированные строительные материалы (Алматы, 2006 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию КазАТК им. М. Тынышпаева (Алматы, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие - основа устойчивой экономики Казахстана. ЮКГУ им. М. Ауезова (Шымкент, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Теория и практика эффективных строительных материалов», посвященная 75-летию академика НИА РК К. К. Куатбаева. ТОО НИИстромпроект (Алматы, 19.10.06г.); в докладах Национальной академии наук РК (Алматы, 2007 г., № 3); Международной научно-технической конференции по химической технологии (посвященной 100-летию со дня рождения академика Н. М. Жаворонкова) (Ташкент, сентябрь, 2007 г.); заседании Ученого совета ГУП «НИИМостроя» протокол № 16 от 01.11.2007 (Москва, Россия); Международной научно-технической конференции «Теплоизоляционные строительные материалы: состояние и развитие». МВ и ССО Республики Узбекистан, ТАСИ, СГАСИ (Ташкент-Самарканд. Ноябрь, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Химия в строительных материалах и материаловедение в ХХІ веке» МО и НРК, ЮКГУ им. М. Ауезова (16-17 октября 2008 г. Шымкент); Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство Казахстана в новом тысячелетии» МО и НРК КазНТУ им. К. И. Сатпаева (Алматы, 7-8 ноября 2008 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 39 статей из них 13 индивидуальных, 5 публикаций в зарубежных научных изданиях и 1 монография. 28 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и приложений, содержит 269 печатных страниц, 50 рисунков и 51 таблицу. Список использованных источников включает 307 наименований.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В первом разделе дан анализ современного состояния и перспектив развития производства ячеистых бетонов в Казахстане.

Несмотря на увеличивающиеся с каждым годом объемы производства строительных материалов, спрос по-прежнему превышает предложение, дефицит покрывается импортом, объем которого в несколько раз опережает рост отечественного производства, причем идет дальнейший рост импорта. Степень износа основных фондов промышленности строительных материалов достигает 60-70%, причем ежегодное выбытие их составляет около 2%, а ввод в действие новых - около 1%, что приводит к фактическому сокращению производственных мощностей. Рост выполняемых строительных работ увеличил потребность в строительных материалах и конструкциях. Однако, ассортимент отечественной продукции не удовлетворяет потребностям современного строительства. Имеющееся отставание обусловлено, главным образом, низким техническим уровнем предприятий, износом парка технологического оборудования.

В Казахстане расширение производства и применение изделий из ячеистого бетона сдерживалось из-за неудовлетворительного товарного качества и низких эксплуатационных свойств. Негативно сказалось на развитии отрасли то, что многие строители не знали и не знают специфических свойств ячеистого бетона и способов его правильного применения. Удорожание строительства, снижение эксплуатационных свойств ограждающих изделий высотных зданий связано со сложностью монтажа и недолговечностью теплоизоляционных плит.

В перспективе необходимо уделить самое пристальное внимание повышению качества и долговечности изделий из ячеистого бетона, совершенствованию технологии и расширению сырьевой базы за счет тщательного изучения его свойств. Начать целевую подготовку специалистов для отрасли по системе народного образования Казахстана. Построить ряд заводов ячеистого бетона нового поколения, взяв пример с Китая (к концу века построивших более 50 заводов ячеистого бетона нового поколения по лицензии фирмы «Сипорекс», Швеция), климатические условия которого схожи с условиями Казахстана.

На долговечность строительных материалов (отечественных и зарубежных) влияют не только качество изготовления, но и климатические условия местности строительства. Климат Казахстана характеризуется как резко континентальный, температура и влажность окружающей среды имеет большую амплитуду и меняется в течение дня несколько раз.

Имеют место колебания температуры в течение суток в районе Алматы - 26⁰С, в районе Уральска - 19⁰С, а на Юге Казахстана температура на поверхности достигает в незатененных местах + 60 + 70⁰С.

Средняя относительная влажность воздуха также значительно меняется в течение суток (таблица 1).

Таблица 1 - Средняя относительная влажность воздуха самого жаркого месяца

Город	Относительная влажность воздуха, %
	в 7 ч	в 13 ч
Астана	55	35
Алматы	49	28
Уральск	85	73
Шымкент	30-50	15

Меняющаяся влажность окружающего воздуха в течение суток вызывает многократное повторение влажностных деформаций, вызванных действием капиллярных сил.

Напряжения, возникающие в бетоне под действием капиллярных сил, вызывают необратимые изменения в структуре поверхностного слоя, приводящие, в конечном счете, к его локальному разрушению - появлению и развитию трещин.

Величина стесненной усадки, вызванная действием капиллярных сил по теории А. Е. Шейкина, описывается уравнением

, (1)

где: - коэффициент поверхностного натяжения;

- отношение площади смоченных пор ко всей площади элемента;

- радиус капилляров, в которых образуются мениски при относительной влажности воздуха ;

- модуль упругости (при всестороннем сжатии);

- градиент влагосодержания между внутренними и поверхностными слоями.

В ячеистых бетонах механизм влагопереноса в значительной степени определяется микропористой структурой межпоровой перегородки. Равновесное влагосодержание по теории А. Е. Шейкина при 100% относительной влажности окружающей среды в ячеистом бетоне будет характеризоваться количеством пор, размером менее 1000Е. Микропористая структура будет также обуславливать возможность развития значительных градиентов влагосодержания в ячеистом бетоне.

Изменение строения порового пространства ячеистого бетона оказывает существенное влияние на трещиностойкость и долговечность изделий при эксплуатации на воздухе в условиях переменной влажности. Возникающие в поверхностном слое напряжения под действием капиллярных сил отражаются на прочности, уменьшая ее (таблица 2).

Таким образом, одной из причин разрушения ячеистого бетона в процессе эксплуатации на территории Казахстана является действие капиллярной усадки в результате становления гигрометрического равновесия влажного материала с окружающей средой.

Таблица 2 - Влияние изменяющейся влажности воздуха на прочность бетона

Влажность воздуха, %	100	50	90	50	90	50
Относительная прочность при изгибе, %	100	75	80	70	78	65
Время выдерживания, ч	0	6	26	31	48	51

Определение пористости пенобетона и газобетона показало, что доля пор до 1000Е (определяли сорбционным методом) также на 0,04, 0,032 и 0,048 см³/г выше у газобетона. Увеличение доли микропор в газобетоне возрастает также с увеличением плотности по сравнению пенобетоном. Распределение пор в области от 1,5 до 300 мкм было проведено на пенобетоне и газобетоне плотностью 700 кг/м³. Полученные данные указывают на различие дифференциальных кривых (см. рисунок 1), у газобетона более крупнопористая структура в данном диапазоне пор, чем у пенобетона. Характерным является увеличение количества пор в области 1,5; 2,5; 5,0; 100,0 мкм и соответствующие пики в данных областях. А у пенобетона слабые пики в диапазоне пор 5,0 и 100,0 мкм. Отличие пиков дифференциальных кривых у пенобетона и газобетона свидетельствует о том, что водопоглощение у пенобетона меньше.

Исследования пористой структуры ячеистого бетона, (газобетона и пенобетона) показали, что он обладает сильноразвитой микропористой структурой. В свою очередь микропористость изменяется в сторону общего увеличения при повышении плотности. Одной из главных причин разрушения ячеистого бетона в процессе эксплуатации является действие капиллярной усадки, так как морозостойкость ячеистых бетонов весьма высока.

Установлено, что ограждающие конструкции из материалов одинакового качества не могут иметь в различных климатических paйонах Казахстана одинаковую стойкость. В зависимости от длительности зимнего периода, влажности и температуры воздуха, частоты колебаний и другие факторы, а также стойкость материала будут различными. Заводы ячеистого бетона должны проводить испытания на стойкость, исходя из климатических особенностей региона, а в технологии для снижения влияния капиллярной усадки должны придерживаться наших рекомендаций (раздел 6).

1 - газобетон; 2 - пенобетон

Рисунок 1 - Распределение пор в ячеистом бетоне D 700

Второй раздел посвящен исследованию сырья и его влиянию на качество ячеистых бетонов.

В современной строительной практике производства изделий и конструкций из ячеистых бетонов в Казахстане, России и Белоруссии все больше используются зарубежные технологии и отдельное оборудование. Самой известной в Казахстане является технология и оборудование Германской фирмы «Маза-Хенке» и технологии Китая. Требования же к химическому и минералогическому составу сырья у них различное.

В ячеистых бетонах «Маза-Хенке» Германия рекомендует пользоваться стандартным портландцементом, причем свободного СаО должно быть менее 1,5%, сульфатов менее 3,0%, тонкость помола 3000-4000 см²/г.

Фирмы Китая акцентируют, что в составе цемента содержание С₃А должно быть в пределах 7-10%, алюмоферитов менее 10%, а содержание С₃S более 50%, тонкость помола 3000-4500 см²/г. Таким образом, в нормах «Маза-Хенке» содержание трехкальциевого алюмината (С₃А) в цементе не указывается, а в нормах Китая - завышено на 1-4%. Исследования показали, что содержание С₃А более 6,0 % приводит к снижению прочности, морозостойкости и действию попеременного увлажнения и высушивания. Также известно, что с повышением температуры тепловлажностной обработки у гидратированного С₃А падает прочность, за счет образования ослабленных соединений гидроалюминатов кальция, что отмечено в трудах Ю. М. Бутта, А. Т. Баранова и К. К. Куатбаева.

Требования по дисперсности цемента являются общими и предпочтительно применять клинкерный цемент, т. е. без минеральных добавок. В ячеистых бетонах при использовании бездобавочного портланд-цемента, в заводских условиях, проще установить наиболее выгодный состав смеси из цемента и кремнеземистого компонента и этот состав стабилизировать. Цементные заводы при корректировке смеси цемента в качестве активных минеральных добавок используют различные породы в виде трепела, опоки и другие, представляющие собой богатые аморфным кремнеземом породы, и эти цементы считаются бездобавочными.

Наши исследования при испытании прочности автоклавного ячеистого бетона, изготовленного из смесей цемента с активной минеральной добавкой (трепелом), показали, что это приводит к резкому снижению прочностных показателей на 10-30 %. Доказано, что существенное снижение прочности бетона с добавкой трепела происходит за счет возрастания внутренних напряжений в процессе автоклавной обработки, так как аморфный кремнезем (трепел) по сравнению с кристаллическим (песок) обладает большей поверхностной энергией, что приводит к росту числа кристаллических контактов и повышению дефектности структуры, а кристаллизационное давление увеличивается с повышением вяжущего в коллоиде и возрастает по мере завершения процессов гидратации, что хорошо согласуется с теоретическими определениями П. И. Боженова и П. А. Ребиндера. Увеличение плотности ячеистого бетона, при прочих равных условиях, приводит к росту внутренних напряжений. В неавтоклавном ячеистом бетоне добавка активной минеральной добавки трепела вызывает незначительные внутренние напряжения.

Обращает особое внимание тот факт, что активная минеральная добавка, вызывая рост внутренних напряжений, не изменяет своего качественного и количественного характера новообразований. Термограммы и рентгенограммы сходны между собой.

Открывшиеся закономерности требуют повышенного внимания со стороны производителей ячеистого бетона к бездобавочным цементам с применением в них активной минеральной добавки в виде трепела.

Причем, режимы автоклавной обработки. влияющие на величины внутренних напряжений, рекомендованные фирмой «Маза-Хенке» и Китая, более жесткие: давление 1,3 МПа, температура 193⁰С, по сравнению с нашим режимом: давление 0,8 МПа, и температура 174,5⁰С, время ТВО одинаковый - 12 ч. То есть, в случае применения бездобавочных цементов, содержащих трепел, или в виде кремнеземистого компонента применить трепел, то в процессе автоклавной обработки внутренние напряжения могут привести к преждевременному выходу из строя таких изделий и конструкций. Анализ заводского производства ячеистого бетона показал, что на качество и долговечность ячеистого бетона существенное влияние оказывает известь (см. таблица 3).

Таблица 3 - Химический состав извести

Производитель	Содержание оксидов, мас. %
	СаО	SiO2	MgO	AI2O3	SO3	Время гашения, мин
Маза-Хенке	85,0	<5,0	<2,0	<2,5	<3,0	8-15
Китай	85,0	-	2,0	-	<3,0	6-15
Павлодар	82,2	0,1	1,5	1,16	0,32	5-15
Сас-Тюбе	70,1	2,6	0,3	1,1	0,02	5-10

Требования к извести высоки, однако отсутствует показатель "пережога", существенно влияющий на эксплуатационную стойкость. Наличие "пережога" в извести должно быть не более 2%, наличие большого количества «пережога» приводит к появлению трещин в изделиях. Иногда качество извести оценивают по количеству непогасившихся зерен или частиц. Это не одно и тоже, что мы именуем «пережог», хотя именно в непогасившихся частицах и находился «пережог» в скрытом виде, а эта часть самая опасная, и ее надо определять в чистом виде. Также нами установлено, что наряду с низкой морозостойкостью, изделия на основе извести имеют повышенную карбонизационную усадку и низкую атмосферостойкость, в связи с чем производство ячеистого бетона на основе известково-цементного вяжущего имеет преимущество как перед производством на извести-кипелке, так и на цементе. Поэтому на заводах Казахстана по производству ячеистых бетонов необходимо использовать технологию на «смешанном» известково-цементном вяжущем.

За рубежом в производстве ячеистого бетона широко используют золы. Однако анализ исследований по золам Экибастузского региона показал, что имеются прямо противоположные суждения о возможности использования ее в ячеистых бетонах. Наши исследования золы-уноса от сжигания угля Экибастуза показали, что химический состав соответствует требованиям, предъявляемым к золам в Германии (фирма «Маза-Хенке») и Венгрии (см. таблица 4).

Таблица 4 - Химический состав золы-уноса

Страна	Содержание оксидов, %
	SiO2	AI2O3	Fe2O3	CaO	п.п.п
Казахстан	59,2	26,5	6,22	3,7	2,25
Германия Маза-Хенке	50,0	10-30	10,0	5,0	5,0
Венгрия	40,0	35,0	18,0	10,0	5,0

Минералогический состав золы-унос: корунда 5-10, стеклофазы 60-65, полевого шпата 5-10, аморфизированных глинистых частиц 10-15, кальцита, гидрограната, муллита, оксида железа 3, зольность угля до 40%, S_уд. - 2800-3000 см²/г. Эксперименты показывают, что в ячеистых золобетонах можно использовать (утилизировать) до 350 кг золы на кубометр изделия, физико-механические свойства и стойкость соответствуют требованиям ГОСТ, то есть зола-унос, полученная от сжигания угля Экибастузского угольного бассейна, является ценным сырьем для производства ячеистых бетонов. В ячеистых бетонах используют электротермофосфорный гранулированный шлак ПО «Фосфор», удовлетворяющий требованиям СТ РК-935-92. Однако, наши исследования показали, что в нормативах отсутствует главный, столь необходимый для получения качественного ячеистого бетона показатель - это количество стеклофазы.

Основным стеклообразующим оксидом в шлаке является пятиоксид фосфора Р₂О₅, от его количества зависит и количество стеклофазы.

Нами установлено, что действительно содержание Р₂О₅ в охлаждаемом расплаве существенно влияет на количество стеклофазы, так, при содержании Р₂О₅, равном 2,75%, наличие стеклофазы 97%, при Р₂О₅, равном 2,02%, - 94%, а при содержании Р₂О₅, равном 1,4%, -88%.

В утвержденных нормах на шлак содержание Р₂О₅ должно быть не более 2,5%, это ограничение связано с выделением или образованием различных вредных соединений выше санитарных норм. Но для получения качественного ячеистого бетона можно обойтись и без выхода за рамки норм,

для этого необходимо ограничить нижний предел содержания Р₂О₅, равный 1,5% и верхний предел 2,5%, когда содержание стеклофазы находится в пределах 90-95%, а этого достаточно для получения шлака с необходимыми для нас параметрами. В исследованиях по производству фосфора показано, что содержание Р₂О₅ в шлаке можно регулировать технологическими приемами при кремневосстановительном процессе, т.е. можно менять количество стеклофазы в шлаке.

Третий раздел посвящен совершенствованию технологии, структуры и свойств ячеистых бетонов (пенобетона и газобетона) пониженной плотности. Современные технологические нормы для проектирования ограждающих конструкций потребовали привлечения строительных материалов с меньшим в 3-4 раза коэффициентом теплопроводности по сравнению с традиционным кирпичом. Существенное ужесточение нормативных требований привело к необходимости снижения средней плотности пенобетона: конструктивно-теплоизоляционного - с 850-750 до 600-500 кг/м³, а теплоизоляционного - с 400-350 до 300-200 кг/м³.

Значительное снижение плотности неавтоклавного пенобетона отрицательно сказывается на качественных характеристиках ячеистой структуры и физико-механических свойствах пенобетонных материалов, получаемых традиционными методами и оборудованием.

Основные недостатки традиционного пенобетона - усадка пенобетонной смеси в форме, необходимость послойного бетонирования слоями до 50-80 см при применении материала в монолитном домостроении, возможность расслоения пенобетонной смеси при транспортировке как пневмонасосами, так и автотранспортом, образование придонной плотной корки за счет седиментации твердых частиц.

К преимуществам технологии пенобетона относится пониженная зависимость процесса поризации и конечных свойств материала от внешних факторов и возможность направленно регулировать объем и характер пористой структуры материала, которая определяет повышенную стабильность технологических процессов и качественных показателей пенобетонных материалов.

У ячеистых бетонов одинаковой плотности, но изготовленных по разным технологиям имеется значительное различие в коэффициенте теплопроводности. В этом случае сказывается влияние геометрии порового пространства и дифференциальной пористости. Повышению теплозащитных свойств ячеистых бетонов способствует применение при их изготовлении компонентов, характеризующихся пониженной теплопроводностью (например, зола, шлак).

Для повышения теплотехнических характеристик ячеистого бетона необходима оптимизация технологических параметров, обеспечивающих получение пенобетона малой плотности и наибольшей прочности. С этой целью экспериментально нами было проверено влияние водотвердого отношения, расхода пенообразователя и отношения кремнеземистого компонента к вяжущему (С) на основные свойства пенобетонной смеси и пенобетона.

После статистической обработки результатов экспериментов была получена количественная зависимость средней плотности пенобетона от исследуемых технологических факторов: для того чтобы снизить плотность пенобетона по сравнению со средним уровнем, надо увеличивать значения всех трех исследуемых факторов, то есть расход порообразователя и В/Т оказывает сравнительно большее влияние на снижение плотности бетона, чем отношение кремнеземистого компонента к вяжущему (С).

Анализируя количественную зависимость прочности пенобетона в 28-суточном возрасте от расхода пенообразователя, В/Т и отношения кремнеземистого компонента к вяжущему (С) мы установили, что прочность бетона снижается как при повышении расхода пенообразователя, В/Т, так и отношения кремнеземистого компонента к вяжущему (С):

- на снижение прочности пенобетона большее влияние оказывает В/Т и отношение массы кремнеземистого компонента к вяжущему (С), причем наблюдается значительное увеличение прочности пенобетона при повышении водотвердого отношения. Если при В/Т=0,35 прочность пенобетона, равная 1,5 МПа, получена при средней плотности пенобетона, равной 530 кг/м³, то при В/Т = 0,6 прочность пенобетона, равная 1,5 МПа, получена при средней плотности пенобетона, равной 450 кг/м³. Получение более высоких прочностей пенобетона с переходом на смеси, характеризующиеся более высокими В/Т, и соответственно высокой текучестью объясняется образованием пор правильной сферической формы и улучшением фазового состава межпустотного материала.

Таким образом, с увеличением В/Т наблюдается резкое изменение характера пор - от агрегатов пор вытянутой нечеткой формы к цепочкам круглых пор, отделяющихся друг от друга перетяжками, и, наконец, к одиночным порам правильной сферической формы, что обеспечивается применением пенобетонных смесей с повышенными В/Т и пластичной консистенции.

Такая же оптимизация технологических параметров необходима и для газобетона с целью получения малой плотности и наибольшей прочности.

Экспериментально было проверено влияние водотвердого отношения, расхода газообразователя и температуры воды затворения на основные свойства газобетона.

В качестве параметров оптимизации были приняты: средняя плотность, прочность при сжатии, а также текучесть и температура газобетонной смеси. В процессе исследования постоянными для всех составов приняты: отношение массы кремнеземистого компонента к вяжущему (С=0,33), дисперсность сырьевых материалов, режим тепловой обработки (3+8+ест.охл. при температуре выдержки 85±5⁰С).

Результаты определения прочности и плотности газобетонов оптимальных составов подтвердили правильность выбранных технологических параметров, обеспечивающих получение газобетона максимальной прочности при заданной плотности.

Нами установлено, что наиболее эффективными химическими добавками, способствующими стабилизации структуры и получению пенобетона минимальной плотности, являются алюмосодержащие компоненты (хлорид алюминия, сульфат алюминия).

Также проведены исследования по влиянию комплексной добавки тринатриифосфата (ТНФ), являющейся интенсификатором структурообразования, и триэтаноламина (ТЭА), влияющего на фазовый состав цементирующего вещества. Экспериментально проверено влияние расхода ТЭА (% от цемента), расхода ТНФ (% от цемента) и времени перемешивания пенобетонной смеси. Во всех рассмотренных случаях минимальная плотность получена при увеличении расхода ТНФ и времени перемешивания более 4 мин.

Таким образом, введение добавок ТЭА 0,25% и ТНФ 0,20% от веса цемента обеспечило возможность получения пенобетона плотностью 320 кг/м³ и прочностью 0,45 МПа.

Сравнивая прочностные показатели неавтоклавных пенобетонов и газобетонов, мы установили, что прочностные показатели в зависимости от плотности близки между собой и довольно высокие.

Результаты определения прочности и плотности пенобетонов и газобетонов оптимальных составов подтвердили правильность выбранных технологических параметров, обеспечивающих получение ячеистых бетонов максимальной прочности при заданной плотности и удовлетворяющим требованиям ГОСТ и нормам теплосопротивления, предъявляемым к ограждающим изделиям и конструкциям по СНиП -3-79.

Четвертый раздел посвящен неавтоклавному ячеистому бетону с улучшенными физико-техническими и теплотехническими свойствами.

Неавтоклавное производство ячеистого бетона является весьма перспективным. В мире накоплен производственный, экспериментальный и теоретический материал для совершенствования теоретических и технологических основ изделий и конструкций из неавтоклавного ячеистого бетона. Однако, в теории и практике при производстве и эксплуатации
изделий из неавтоклавного ячеистого бетона имеется ряд нерешенных проблем - это наряду со значительными колебаниями по плотности высокая влажность изделий после тепловой обработки (до 45% по массе) и, соответственно, высокая усадка (до 4 мм/м); значительный расход цемента (до 400 кг/м³ и более), появление трещин и невозможность производить крупногабаритные изделия, что практически сдерживает его широкое использование в строительной практике.

Анализ литературных источников показал, что проблемы неавтоклавного ячеистого бетона можно решить, используя отходы нефтепереработки в виде серы, так как сера может существенно повышать прочностные и эксплуатационные свойства бетонов.

В практике производства неавтоклавного ячеистого бетона используют только энергию твердеющего цемента и большое количество воды затворения (В/Т от 0,32 до 0,6). Требования по уменьшению усадки неавтоклавных ячеистых бетонов и чувствительности к трещинообразованию остаются весьма актуальными в строительной практике.

Повышенную усадку изделиям придает высокая влажность после тепловой обработки, достигающая 45-50%, а также процессы гидратации, непрекращающиеся после пропаривания, о чем свидетельствуют показатели дальнейшего роста прочности, в то время как в автоклавном ячеистом бетоне процессы роста прочности после автоклавирования исключены.

С целью снижения усадки у неавтоклавного ячеистого бетона ряд исследователей предлагает увеличивать продолжительность подъема температуры при пропаривании и продолжительность изотермического прогрева, отмечая при этом, что эффект снижения усадки незначителен. Снизить усадку можно за счет уменьшения воды затворения, используя вибрацию или различные ПАВ. Однако, сдерживающим фактором является дороговизна ПАВ и сложность внедрения вибротехнологии в заводские условия.

На сегодняшний день проблемы снижения высокой влажности и усадки неавтоклавного ячеистого бетона окончательно не решены.

Анализируя публикации, мы пришли к выводу, что одним из способов решения этой задачи является использование нетрадиционных методов в технологии ячеистых бетонов.

Особого внимания заслуживают результаты ряда исследователей, которые определили, что цементные минералы, взаимодействуя с серой в расплавленном виде (при температуре 120-150°С), повышают прочностные и эксплуатационные свойства цементных композиций. При этом кристаллизация серы подчиняется общим законом кристаллизации гипкоцепных полимеров, т.е. в каждом конкретном случае имеется область оптимальных значений количества добавляемой серы.

Методом математического планирования эксперимента были определены оптимальные технологические параметры пенобетона (текучесть, расход и температура воды, количество порообразователя), характери-зующегося высокой прочностью и заданной плотностью. Это - текучесть смеси 30 см, температура воды 60-65°С, температура смеси 40°С, количество пены 0,175.

Определение оптимального содержания серы и режима сушки проводилось на растворных составляющих, в состав которых вводили серу как для газобетона, так и для пенобетона и пропаренных по режиму 3+6+3 ч при температуре 90±5°С. После пропаривания серии образцов подверглись сушке в сушильном шкафу при температуре 120 и 150°С в течение 2 ч.

Для выявления и сравнения влияния добавки серы и процесса нагревания на прочность испытывались одновременно и контрольные образцы, в состав которых вводилась сера, но образцы не подвергались нагреванию. После пропаривания по режиму 3+6+3 и температуре 90±5°С образцы испытывались на сжатие.

У контрольной серии образцов добавление серы до 5% вызывало снижение прочности при сжатии после пропаривания на 29,5%, а добавка серы 10% приводила к снижению прочности на 50%, тенденция снижения прочности от увеличения содержания серы продолжалась.

Отсутствие роста прочности в нашем случае можно объяснить тем, что в составе бетонной смеси использованы некондиционные барханные пески, содержащие соли натрия и калия, а также органические и гумусовые составляющие. Соединения серы с солями натрия и калия дают нестойкие связи, приводящие к снижению прочностных показателей.

Совершенно иная картина наблюдается при добавлении серы и высушивании серии образцов при температуре 120°С в цементно-зольных композициях. Максимальный прирост прочности в растворных образцах с 28,5 до 45,1 МПа наблюдается при добавлении серы в количестве 5%. Рост прочности происходит, по нашему мнению, потому, что в составе золы-унос отсутствуют натриевые и калиевые соли, органические и гумусовые включения, а присутствует стекловидная фаза в количестве 60-65% от массы.

Ячеистый бетон, являясь капиллярно-пористой многокомпонентной системой, имеет свои отличительные особенности формирования скелета (мембран межпорового пространства), которые и определяют его физико-технические и эксплуатационные свойства. Как отмечается в работе А. Т. Баранова и К. И. Бахтиярова, прочность растворной составляющей ячеистого бетона не является определяющим фактором прочности и эксплуатационной стойкости самого ячеистого бетона, поэтому следующим этапом работы явилось изучение влияния этих компонентов на свойства ячеистых бетонов разной плотности 600 и 700 кг/м³.

У пенозолобетона при термообработке 120°С в течение 2 ч максимальная прочность наблюдалась при добавлении серы в количестве 5% от веса вяжущего. Так, при плотности пенозолобетона, равного 600 кг/ м³ и класса по прочности В1 переходит в класс по прочности В2, в целом прирост прочности составляет 1,1 МПа, а при плотности 700 кг/м³- 1,3 МПа.

Неавтоклавные ячеистые бетоны, газозолобетон и пенозолобетон плотностью 700 кг/м³ имели влажность после пропаривания 32,7 и 34,3% и усадку 2,81 и 2,95 мм/м соответственно. При нагревании усадочные деформации значительно снижались и составляли 1,5 и 1,73 мм/м.

Одной из важнейших задач современного строительства является сокращение энергозатрат, а главным направлением градостроительной политики стало энергосбережение с одновременным повышением качества и долговечности выпускаемой продукции. Решению этой задачи может способствовать разработка нормативной базы, когда ячеистые бетоны плотностью 500 кг/м³ вместо теплоизоляционных будут применять как конструкционно-теплоизоляционные (самонесущие). Так, по ГОСТ 21520-89 и ГОСТ 25485-89 ячеистые бетоны плотностью менее 500 кг/м³ отнесены исключительно к теплоизоляционным. Для реализации мер по энергосбережению были приняты нормативные документы СНиП-ІІ-3 и другие, в которых были повышены требования к расчетному сопротивлению теплопередачи более, чем в три раза. При строительстве жилья по новым строительным нормам толщина внешней стены должна быть: из кирпича - не менее 150, а из ячеистого бетона - 38,5 см. Повышению теплозащитных свойств ячеистых бетонов способствует их применение при изготовлении компонентов, характеризующихся пониженной теплопроводностью, как, например, у зол и некоторых шлаков.



1 - пенобетон; 2 - пенозолобетон

Рисунок 2 - Влияние плотности на теплопроводность пенобетона и пенозолобетона

Исследование влияния золы-уноса Экибастуза на теплофизические свойства неавтоклавного газозолобетона и пенозолобетона по сравнению с газобетоном и пенобетоном разной плотности (см. рисунок 2) свидетельствует, что коэффициент теплопроводности снижается при использовании золы-уноса и при плотности 500 и 600 кг/м³ составляет 0,11; 0,14 и 0,10; 0,13 Вт/м^оС соответственно. Повышение теплофизических характеристик у пенозолобетона связано с тем, что сам характер макропор у пенозолобетона изменился за счет обволакивающего эффекта расплавленной серы межпоровой перегородки.

Таким образом, для улучшения физико-технических и теплотехнических свойств ячеистого бетона в качестве добавки можно использовать серу, т.е. решается основная проблема, ограничивающая использование неавтоклавных ячеистых бетонов.

Пятый раздел посвящен исследованиям по повышению физико-механических свойств ячеистого бетона заменителями асбеста (СН 277-80 п. 2.6.). Асбест - химически инертный минерал, однако, при попадании в организм человека становится активным и канцерогенным на клеточном уровне. Выявлена растущая тенденция раковых заболеваний горла и легких на асбестовых заводах от фиброволокон асбеста.

Анализ возможных заменителей асбеста в различных строительных материалах показал, что одним из таковых может быть волластонит (метасиликат кальция CaSiO₃). Удлиненные кристаллы волластонита имеют прочность на растяжение, соизмеримые с волокнами асбеста. Ограничения по содержанию волластонита в воздухе такие же, как и для ПДК обычной пыли, равной 15 мг/см³. Волластонит-минерал семейства пироксеноидов класса цепочечных силикатов имеет кристаллическую структуру. Наша республика располагает промышленными запасами волластонитовых руд равными 56,5 млн. т.

В ячеистых бетонах можно использовать и синтетический волластонит. Но анализ его получения и наш опыт работы с ячеистыми бетонами показывает, что в способах по получению синтетического волластонита участвуют материалы, которые могут существенно влиять на свойства ячеистых бетонов.

При твердофазном синтезе в качестве кремнийсодержащих компонентов используются трепел, диатомит, опока, которые в ячеистых бетонах приводят к снижению прочности, вызывают внутренние напряжения в теле ячеистых бетонов, в процессе автоклавной обработки и могут привести к потере изделиями и конструкциями своих технических и эксплуатационных свойств.

Технологические параметры газобетона были следующими:

- водотвердое отношение (В/Т) равно 0,42, отношение кремнезе-мистого компонента к вяжущему (С) равнялось -1, плотность ячеистого бетона D700 кг/м³, температура смеси 40⁰С, расплыв по Суттарду - 24 см. Режимы тепловлажностной обработки у неавтоклавного ячеистого бетона были 3+6+3 ч при температуре 90±5⁰С, а автоклавная обработка 2+8+2ч, при температуре 174,5⁰С и давлении 0,8 МПа.

Оптимальная величина добавки волластонита взамен части цемента равнялась 4%, когда прочности на сжатие (R_cж) и прочности на растяжение при изгибе (R_р.и) были максимальными.

У неавтоклавного газобетона прочность на сжатие (R_cж) и растяжение при изгибе (R_р.и) с добавкой волластонита возросли на 18,1 и 25,0 % соответственно (таблица 5).

А у автоклавного газобетона с добавкой волластонита прочность на сжатие (R_cж) и растяжение при изгибе (R_изг) увеличилась на 25,0 и 54,4% соответственно.

Таблица 5 - Свойства газобетона с добавкой волластонита

Вид бетона	Плотность, кг/м3	Прочность, МПа	Прочность с волластонитом, МПа
		Rсж	Rри	Rсж	Rри
Неавтоклавный	700	3,85	1,28	4,55	1,6
Автоклавный	700	4,28	1,36	5,35	2,1

Таким образом, при прочих равных условиях, добавление волластонита привело к увеличению прочностных характеристик, как неавтоклавного газобетона, так и автоклавного, причем прочность на сжатие (R_cж) и растяжение при изгибе (R_р.и) автоклавного газобетона больше на 6,9 и 29,4% соответственно. Результаты рентгенофазного и дифференциально-термических анализов показали, что продукты гидратации образцов пропаренного газобетона представлены в основном гидроксидом кальция Са(ОН)₂, кальцитом СаСО₃ и скрытокристаллическими гидросиликатами кальция типа C₂SH₂.

...