Подбор состава неавтоклавного газобетона пониженной плотности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

В состав дипломной работы входят:

пояснительная записка 71 с., 23 табл., 13 рис., 24 источников;

демонстрационные материалы листов;

CD-диск с электронной версией пояснительной записки и демонстрационным материалом.

НЕАВТОКЛАВНЫЙ ГАЗОБЕТОН, МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ, ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ, ГАЗООБРАЗОВАТЕЛЬ, НАПОЛНИТЕЛЬ, ПЛОТНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ.

Для исследования использовали следующие материалы: портландцемент М400Д0, наполнитель (гранитный отсев, тальковый отсев, молотый известняк), содосульфатный отход (производства глинозема), алюминиевая пудра ПАП-1.

В ходе исследований подбирался оптимальный состав, характеризующийся последовательным осуществлением ступеней подбора, на каждой из которых оптимизировалось содержание одного из параметров при сохранении постоянным количества всех остальных. Так же были проведены сравнительные испытания, при помощи которых было определено влияние режима и способа гидромеханической активации, влияние вида цемента, активизирующей добавки и качества наполнителя на свойства конечного продукта. В итоге подобран оптимальный состав для производства НАГБ пониженной плотности.

плотность цемент гидромеханический наполнитель



Содержание

Нормативные ссылки

Перечень условных обозначений и сокращений

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Исторические сведения

1.2 Ячеистые бетоны

1.2.1 Виды ячеистого бетона

1.3 Неавтоклавные теплоизоляционные и конструкционно-теплоизоляционные материалы

1.3.1 Физико-механические свойства неавтоклавных ячеистых бетонов

1.4 Физико-химические процессы формирования пористой структуры ячеистого бетона

1.4.1 Структура межпоровых перегородок

1.5 Физико-химические процессы твердения неавтоклавного ячеистого бетона

1.6 Предварительная водная и механохимическая активация

1.7 Влияние температуры

1.8 Достоинство и недостатки неавтоклавного газобетона

1.9 Цели и задачи исследования

2. Характеристика сырьевых материалов и методы исследования

2.1 Исходные сырьевые материалы

2.1.1 Свойства цемента

2.1.2 Гипсовый камень

2.1.3 Содосульфатный отход

2.1.4 Наполнитель для газобетона

2.1.5 Порообразующая добавка

2.1.6 Вода

2.2 Методика исследования

2.3 Лабораторные установки

2.4 Методы определения основных свойств газобетона

3. Экспериментальная часть

3.1 Базовый состав неавтоклавного газобетона и его характеристики

3.2 Подбор состава для производства неавтоклавного газобетона

3.3 Исследование влияние химической добавки на свойства неавтоклавного газобетона

3.4 Влияние количества алюминиевого порошка на свойства неавтоклавного газобетона

3.5 Исследование влияния температуры воды на свойства неавтоклавного газобетона

3.6 Сравнения свойств неавтоклавного газобетона с использованием разного наполнителя

Заключение

Библиографический список



Нормативные ссылки

В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 10178-85. «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия». Введ. 01.01.87. М.: Изд-во стандартов, 1985. 8 с.

ГОСТ 125-79. Вяжущие гипсовые. Технические условия. Введ. 01.07.80. М.: Изд-во стандартов, 1979. 7 с.

ГОСТ 23732-79. «Вода для бетонов и растворов». Введ. 01.01.80. М.: Изд-во стандартов, 1979. 7 с.

ГОСТ 25485-89. «Бетоны ячеистые. Технические условия». Введ. 01.01.90. М.: Изд-во стандартов, 1989. 15 с.

ГОСТ 310-1-76. Цементы. Методы испытаний. Общие положения. Введ. 01.01.78. М.: Изд-во стандартов, 1976. 3 с.

ГОСТ 310.4-76. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии. Введ. 01.07.83. М.: Изд-во стандартов, 1976. 8 с.

ГОСТ 5494-95. Пудра алюминиевая. Технические условия. Введ. 01.01.97. М.: Изд-во стандартов, 1995. 12 с.



Перечень условных обозначений и сокращений

Rсж - предел прочности при сжатии, МПа;

АП - алюминиевая пудра;

ККК - коэффициент конструктивного качества;

НАГБ - неавтоклавный газобетон;

ССО - содосульфатный отход.

(Na2SO4) - сульфат натрия

(Na2СO3) - карбонат натрия



Введение

Актуальность темы. Проблемы энергосбережения и экологической безопасности поставили перед многими отраслями народного хозяйства ряд неотложных задач, среди которых решающую роль играет создание новых теплоизоляционных материалов и производств, обеспечивающих их выпуск. Особенно остро в таких материалах нуждаются регионы Сибири с их суровыми климатическими условиями. Кроме того, изменение требований по теплоизоляции зданий к 2000г. еще более обострило вопрос разработки, производства и применения в конструкциях современных теплоизоляционных материалов. Основными требованиями потребителей сегодня являются не только низкая плотность и высокая прочность материалов, но и простота технологии изготовления и небольшая стоимость изделий.

Наиболее эффективными теплоизоляционными материалами, отвечающими этим требованиям, являются ячеистые бетоны, в частности газобетоны, которые обладают низким коэффициентом теплопроводности и изготовляются из дешевого исходного сырья.

В настоящее время производство ячеистых бетонов основано на автоклавном способе тепловой обработки изделий. Вместе с тем, повышается интерес к неавтоклавным ячеистым бетонам вследствие более низких экономических затрат на производство. В перечень сниженных затрат на получение ячеисто-бетонных изделий без автоклавной обработки входят такие технологические операции как прием и переработка сырья; дозирование компонентов; тепловлажностная обработка: снижается расход электроэнергии, пара, ниже потребность в рабочей силе, а также в несколько раз снижается металлоемкость оборудования.

Одним из основополагающих свойств теплоизоляционных материалов является пористость, которая, в основном, и определяет величину коэффициента теплопроводности. Газобетон относится к высокопористым материалам. Непосредственно в технологии газобетонных изделий формирование пористой структуры материала происходит на стадии формования, которая является весьма ответственной технологической операцией. В процессе вспучивания и структурообразования газобетонных смесей необходимо строгое соблюдение принципа соответствия скоростей газовыделения и увеличения реологических свойств смеси. В связи с этим весьма большое значение приобретает регулирование реологических свойств смеси, а именно вязкости и предельного напряжения сдвига, непосредственно в период интенсивного газовыделения. Оптимизация реологических характеристик газобетонной смеси в момент вспучивания может осуществляться путем увеличения значений пластической вязкости и уменьшения значений предельного напряжения сдвига и пластичности по Воларовичу. Это дает возможность стабилизировать процесс вспучивания газобетонной смеси и создать материал с оптимальной пористой структурой.

Основным недостатком газобетона неавтоклавного способа твердения является низкая степень гидратации вяжущего, в отличие от автоклавного способа производства, при котором твердение газобетонной смеси происходит как в результате гидратации вяжущего при повышенных температуре и давлении, так и в результате гидротермальной реакции взаимодействия диоксида кремния (кварцевый песок) и оксида кальция (известь). Специфика технологии безавтоклавного газобетона требует повышенного расхода цемента, при гидратации и твердении которого в режиме пропаривания (1 = 80-85 °С) формируется конечная прочность изделий за счет высокого химического потенциала системы цемент-вода. Низкая степень гидратации цемента, которая является следствием плохой закристаллизованности продуктов гидратации, может быть причиной усадки неавтоклавных газобетонов в процессе эксплуатации. Преодолеть данный недостаток можно за счет использования ускорителей гидратации и твердения, активных минеральных добавок и снижения начального водотвердого отношения с помощью ПАВ.

Цель работы - Разработка составов и научно-обоснованных приемов получения газобетона неавтоклавного твердения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-выполнить аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по проблеме производства неавтоклавного газобетона;

-исследовать состав и свойства сырьевых материалов;

-изучить влияние вида и количества активных добавок на физико-механические свойства газобетона.

-исследование процессов твердения газобетонной смеси с изменением температурного режима;

-получение газобетона неавтоклавного твердения с заданными свойствами и с использованием различных добавок и выявление закономерностей, позволяющих оперативно корректировать составы в производственных условиях.

Научная новизна работы:

Установлено, что введение большого количества активных добавок таких как, сульфат натрия (Na2SO4), карбонат натрия (Na2СO3) и содосульфатного отхода негативно сказывается на качестве газообразовании и скорости набора прочности.

-введение в качестве активной добавки содосульфатного отхода в количестве 1% способствует повышению Н среды и ускоряет сроки схватывания .

2.Установлено, что увеличение удельной поверхности наполнителей, способствуют улучшению макроструктуры газобетона и тем самым уменьшению плотности продукта.

Практическая ценность работы:

-использовать в качестве минеральной добавки в составе неавтоклавного газобетона содосульфатный отход, введение которого способствует повышению Н среды, что благоприятно сказывается на процессе газообразования

-для ускорения реакции вспучивания рекомендуется использовать повысить температуру от 50 до 60 оС

-предложен рецепт состава смеси для получения газобетона пониженной плотности включающий на 1м3: Цемент 120 кг; Отсев (известняка) 115 кг; Молотый гипсовый камень 12 кг; ССО 0,6 кг; ПАП 1 - 0,4 кг; Вода 131 л.

Апробация работы.

Публикации по работе. нет

Структура и объем магистерской диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов, библиографического списка из 24 наименований. Работа изложена на 71 странице машинописного текста, включая 13 рисунков и 23 таблиц.



1. Литературный обзор

В данном разделе будут рассмотрены сведения о происхождении газобетона.

1.1 Исторические сведения

По заключению Госстроя РФ (протокол №01-НС-18/4 от 29 ноября 2001 г.), неавтоклавные и автоклавные ячеистые бетоны имеют ряд характеристик, выгодно отличающих их от многих традиционных строительных материалов. Изделия из них наилучшим образом адаптированы к сложным климатическим и экономическим условиям России и имеют ряд важных достоинств: невысокая средняя плотность, низкая теплопроводность, пониженное водопоглощение, стойкость при пожаре. Все виды ячеистых бетонов имеют высокие санитарно-гигиенические свойства стенового ограждения, так как не содержат вредных для здоровья человека химических и синтетических веществ, имеют хорошую обрабатываемость и др. За счет простой и рациональной технологии газобетона во много раз снижена удельная капиталоемкость, расход энергоносителей, и себестоимость продукции.

Широкое применение в строительстве газобетонные и пенобетонные блоки обрели относительно недавно, однако, свою историю ячеистый бетон ведёт ещё с конца девятнадцатого века. Решение вопроса производства строительных материалов с высокими теплоизоляционными свойствами впервые было предложено в 1889 г. инженером Е. Гоффманом. Он примешивал к подвижным цементным и гипсовым растворам кислоты и углекислые или хлористые соли, выделявшие при химическом взаимодействии газ, который создавал пористую структуру у затвердевших растворов [1]. Однако данный способ производства не получил широкого практического применения. Та же участь постигла патент, выданный в Голландии в 1917 г., на получение ячеистого бетона с применением в качестве газообразователя органических добавок - дрожжей. Из-за их негативного воздействия на бетон изобретение не получило распространение [2].

В 1914г. американцами Эйлсуортом и Дайером были применены в качестве газообразователя порошки алюминия, цинка и некоторых других металлов, которые при взаимодействии с Са(ОН)2 выделяли водород и действовали как вспучивающие добавки. Использование металлической пудры для газообразования было предложено и Грошем в 1919 г. в Германии. Эти изобретение следует считать началом современной технологии газобетона [3].

В 1922 г. немецкие разработчики Адольф и Поль впервые применили перекись водорода (пергидроль Н2О2) с целью вспучивания бетонной смеси. Однако массовое применение этого химиката в производстве газобетона не получили в виду дороговизны и низкой эффективности.

Однако в 50-х, 60-е годах прошлого столетия в научных лабораторных исследований НИИЖелезобетона совместно с НИИХимпромом, КПП Военстроя и др., а потом производственный опыт Жигулевского завода железобетонных изделий Куйбышевгидростроя, Ново-Каховского бетонного завода Днепростроя, доказали технологические достоинства пергидроля. Он оказался интенсивным газообразователем, позволяющим быстро вспучивать растворы повышенной вязкости [2]. В 1929г. На основании разработок А. Эриксона шведской фирмой «Itong» было начато производство газосиликата. Для его получения применяли известково - песчаное вяжущее из слабогидравлической извести и смешанное вяжущее, получамое путем совместного обжига известняка и горючих сланцев. Кремнеземистым компонентом служили золы, получаемые от сжигания сланцев. В качестве газообразователя использовалась алюминиевая пудра [4]. К концу 30 - ых годов ХХ столетия в Европе и Америке работало уже свыше 100 малых предприятий по производству газобетона. Второй путь многочисленных опытов и исследований, проведенных в 1930г. привел к развитию другой технологии производства газобетонных изделий. Она была применена шведской фирмой «Siporex». Для производства газобетонных изделий плотностью 500 кг/м3 применялся портландцемент, тонкодисперсный кремнеземистый заполнитель в виде молотого кварцевого песка и алюминиевая пудра в качестве газообразователя. Для повышения интенсивности вспучивания в смесь добавляли небольшое количество извести [5].

Шведскими предприятиями выпускалась широкая номенклатура изделий для жилищного, промышленного и других видов строительства. К началу 70-ыхгодов прошлого столетия заводы «Itong» и «Siporex» действовали в различных странах с различными климатическими условиями : Англии, Дании, Латвии, Финляндии, Бельгии, Польши, Франции, Германии и других странах [6].Третье направление получения ячеистого бетона состоит в смешении пены с цементно водной суспензии.

В зависимости от вида вяжущего вещества и кремнеземистого компонента материалы получили название пенобетонов, пеносиликатов, пенозолосиликатов, пеношлаков, гипсопенобетонов и т.д. Впервые способ получения пенобетона путем смешивания растворов вяжущих веществ с пеной предложил датский инженер Е.С. Байер в 1911 г. Но практическое изготовление пенобетона этим способом началось в лишь 1923-1925 гг. сначала в Дании, затем в Германии и других странах. В России работы по пенобетону начаты в 1922 г. инженерами И.С.Песельником (Москва), который уже в 1923 г. получил ячеистый грунтобетон, П.Г. Фреймарком (Ростов-на-Дону), Гензелем (Ленинград) и с 1929 г, группой Н.В. Богданова. (Москва) по пено- и газобетонам.

В связи с отсутствием в стране производства алюминиевой пудры выбор был сделан в пользу пенобетона [7]. Промышленное применение пенобетонов началось в начале тридцатых годов, в период бурной индустриализации страны.

В 1932 г. по инициативе П.В. Лапшина было начато изготовление ячеистых силикатных изделий [8]. В это же время М.Н. Гензлер в Ленинграде и И.Т. Кудряшов в Москве в первые применили автоклавную обработку как средство увеличения прочности, уменьшение трещинообразования и усадки пенобетона [9], а 30-ых годах благодаря применению дезинтегратора по способу И.А. Хинта, появилась возможность реализации идеи профессора В.П. Некрасова о частичном помоле песка, добавляемого в известково-песчаную смесь [8].

В 1936-1938 гг. в результате многочисленных научно-исследовательских работ ЦНИПС (Н.Н. Лессинг, И.Т. Кудряшов, В.П. Куприянов и др.) появилась возможность получить конструктивный автоклавный армопенобетон на основе цемента, молотого песка и клееканифольного пенообразователя [10]. Производство автоклавного армопенобетона было организовано. в Челябинске, Новосибирске, а затем и в Днепропетровске [11].

В послевоенный период заметно расширились исследовательские работы по ячеистым бетонам. Они, в основном, были направлены на изучение различного сырья и использования отходов промышленности, разработке технологических параметров изготовления ячеистобетонных изделий, в том числе режимов автоклавной обработки. В белорусском НИИСМ была разработана технология производства автоклавного ячеистого силиката на негашеной тонкомолотой извести без добавок цемента. Получаемый таким образом ячеистый силикат имел среднюю плотность 700 - 800 кг/м3 и являлся атмосферостойким материалом [12]. Изделия из газои пеносиликаты производились также в цехах Калининского вагоностроительного и Ижорского заводов, на заводе № 3 треста «Стройдеталь» Воронежского совнархоза, опытном заводе РосНИИСМ [13, 14]. На основании исследований, проведенных институтом НИИЖБ и трестом «Тагилстрой», было организовано производство такого ячеистого материала как газошлакозолосиликат. На Ступинском заводе изготовлялись газозолосиликатные плиты с средней плотностью 400 и 500 кг/м3 и пределом прочности 20-30 кгс/м2 [15]. В 1957 г. под руководством Г.И. Книг иной осуществлены исследования пеноалюмосиликатов - пенобетона на базе извести и горелых пород Кузбасса как материалов для крупных стеновых блоков. Пенобетон с объемным с средней плотностью 750-795 кг/м3 имел прочность в сухом состоянии 32-42 кгс/см2 и достаточную морозостойкость, а при 400-460 кг/м3 - 20-21 кгс/см2, но с пониженной морозостойкостью [16]. Трестом «Севуралтяжстрой» в сотрудничестве с НИИЖБ (Л.Р. Розенфельдом, П.А. Теслером) было освоена технология изготовления изделий из пенозолобетона. Использовались сухая зола ТЭЦ и немолотый кварцевый песок. А в г. Таллине для производства пенозолобетона применялась зола горючих сланцев. Полученный материал - пенокукермит - отличался тем, что изделия из него не нуждались в длительной выдержке до пропарки. Однако он обладал высокой плотностью - 1100 кг/см2, и нарастание прочности происходило очень медленно [17].

В 1970-1980 гг. Были построены современные механизированные комбинаты производительностью 100 тыс. м3 и более изделий в год. В их числе Сморгонский, Белгород-Днестровский, Нарвский, Гродненский и др [18]. В Украине были построены такие крупные специализированные предприятия по производству изделий из ячеистого бетона как БелгородДнестровский экспериментальный завод, Николаевский комбинат силикатных изделий, Славутский и Сумской заводы силикатных строительных материалов. В 1984 г. на территории СНГ действовало 99 предприятий по выпуску изделий из ячеистых бетонов. Значительный объем производства приходился на теплоизоляционные изделия [18]. К 1995 г. благодаря ряду государственных программ было намечено довести выпуск конструкций и изделий из газо- и пенобетона до 40 млн. м3 в год. Однако с распадом СССР намеченные программы были свернуты, и планы так и остались нереализованные.



1.2 Ячеистые бетоны

Ячеистые бетоны являются разновидностью легкого бетона, его получают в результате затвердевания вспученной при помощи порообразователя смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и воды. При вспучивании исходной смеси образуется характерная «ячеистая» структура бетона с равномерно распределенными по объему воздушными порами. Благодаря этому ячеистый бетон имеет небольшую плотность и малую теплопроводность [20].

Оптимальная ячеистая структура характеризуется наличием равномерно распределенных замкнутых и полидисперсных по размеру пор с гладкой глянцевой поверхностью припорового слоя. Добиться получения качественной макроструктуры газобетона возможно только при использовании взаимодополняющих технологических и рецептурных факторов [19].

Различают три вида пор в бетонах: ячеистые, капиллярные и гелевые. Можно отметить, что для теплоизоляционного ячеистого бетона характерна, прежде всего, ячеистая пористость; с увеличением средней плотности (с ростом содержания твердой фазы) повышается объём капиллярных и гелевых пор и возрастает их доля в общем объеме пор [21].

1.2.1 Виды ячеистого бетона

Ячеистый бетон - это одна из разновидностей, так называемых легких бетонов. По своей сути, ячеистый бетон - это искусственный строительный материал с пористой (ячеистой) структурой, для производства которого применяется минеральные вяжущие вещества и кремнеземистые наполнители.

Основное применение ячеистых бетонов - это строительная теплоизоляция. В частности, бетоны данного типа активно используются для утепления железобетонных и чердачных перекрытий, для создания теплоизоляционного слоя в многослойных стеновых конструкциях. Жаростойкие виды ячеистого бетона нашли свое применение в качестве теплоизоляции для промышленного оборудования, работающего в условиях температуры до 700 єС.

В последнее время все большую популярность в качестве строительного стенового материала приобретают блоки из ячеистого бетона. Загородные дома, коттеджи, таунхаусы, построенные с использованием данных блоков, имеют тепло-защитные характеристики, значительно превышающие у домов из кирпича или бетонов другого вида. Достигается данное преимущество за счет правильной геометрии блоков: размеры блоков из ячеистого бетона довольно точны (погрешность составляет ±2 мм), что позволяет использовать для укладки специальный строительный клей слоем около 3 мм. Тогда как аналогичные показатели у других стеновых материалов с использованием цементного раствора значительно выше.

Производство данного материала в нашей стране регламентируется государственным стандартом ГОСТ 25485-89. Согласно, вышеуказанному стандарту ячеистые бетоны классифицируются: по применению, по способу поризации, по виду вяжущего вещества, по типу кремнеземистого компонента и по способу твердения.

В зависимости от функционального применения различают ячеистые бетоны следующих типов:

теплоизоляционный вид - ячеистый бетон, применяемый в качестве теплоизоляционного строительного материала. Объемная масса такого бетона составляет 300-500 кг/м3;

конструкционный - бетон, применяемый для возведения конструкционных элементов зданий и строений различного типа. Объемная масса такого бетона составляет 1000-1200 кг/м3;

конструкционно-теплоизоляционный бетон с объемной массой 500-900 кг/м3.

По способу поризации бетона выделяются следующие типы:

аэрированный ячеистый бетон и аэрированный ячеистый силикат;

газобетоны и газосиликаты;

пенобетоны и пеносиликаты.

Кроме вышеназванных способов поризации при производстве бетона находят применение их отдельные модификации, такие как газопенная технология, сочетающая в себе основы аэрационного метода и газообразования; вспучивание массы газообразованием в вакууме; аэрирование массы под давлением и др.

Для производства ячеистого бетона могут применяться различные вяжущие компоненты, как то известь, цемент, гипс. Кроме этого производство ячеистого бетона может отличаться по типу применяемого кремнеземистого компонента: металлургические шлаки, зола, кварцевый песок и т.д.

По условиям твердения ячеистые бетоны подразделяют на:

автоклавные, т.е. твердеющие в среде насыщенного пара под давлением выше атмосферного;

неавтоклавные - твердеющею в естественных условиях, по средствам электропрогрева или при атмосферном давлении в среде насыщенного пара.

1.3 Неавтоклавные теплоизоляционные и конструкционно-теплоизоляционные материалы

Эффективными строительными материалами, широко используемыми в строительстве, являются теплоизоляционные и конструкционно-теплоизоляционные ячеистые бетоны и ячеистые силикаты.

К теплоизоляционным и конструкционно-теплоизоляционным материалам на основе минеральных вяжущих, твердеющих в нормально-влажностных условиях или при тепловлажностной обработке при атмосферном давлении, относятся ячеистые бетоны и легкие поризованные бетоны с тонкодисперсными заполнителями.

В структуре стеновых и теплоизоляционных материалов стройиндустрии Российской Федерации существенное место занимают две основные разновидности ячеистого бетона: газобетон автоклавного и неавтоклавного твердения. Эти материалы в основном взаимозаменяемы и производятся в соответствии с общей базой. Такой базой является, прежде всего, ГОСТ 25485-89.

Несмотря на взаимозаменяемость этих материалов, следует объективно отметить, что структурная прочность автоклавного газобетона на один-два класса (15-25 %) выше, чем у неавтоклавного. Неавтоклавный газобетон имеет влажностную усадку, в 2-4 раза превышающую этот показатель у автоклавного газобетона. Естественно, изделия из неавтоклавного газобетона имеют низкую трещиностойкость, что снижает долговечность строительных изделий и тормозит развитие производства газобетона, особенно в монолитном строительстве. Перечисленные проблемы являются существенными и до настоящего времени сдерживали объемы производство неавтоклавного газобетона, так как снижали его конкурентоспособность.

Однако у неавтоклавного газобетона есть ряд преимуществ перед автоклавным газобетоном. Так пористая структура газобетона полностью формируется в очень короткий отрезок времени в условиях интенсивных динамических воздействий (механического перемешивания). Поэтому температура окружающей среды, точность дозировки компонентов, стабильность свойств вяжущего и кремнеземистого заполнителя не оказывают в технологии газобетона такого большого влияния на конечные свойства материала, как в технологии автоклавных газобетонов.

Более того, главный показатель качества ячеистого бетона - средняя плотность - легко корректируется непосредственно в ходе технологического процесса. Это весьма важно при получении ячеистых бетонов на малых предприятиях или на строительной площадке.

В настоящее время неавтоклавный ячеистый бетон применяется в монолитном и сборном вариантах. Изделия из неавтоклавных ячеистых бетонов применяют для легких железобетонные конструкций и теплоизоляции. Из них изготовляют панели наружных стен и покрытий зданий, неармированные стеновые и теплоизоляционные блоки, камни для стен. Конструкции из ячеистых бетонов долговечны в зданиях с сухим и нормальным режимами помещений при относительной влажности воздуха 60-75 %.

Дальнейшее развитие производства и применения неавтоклавного газобетона можно осуществлять на основе решения следующих ключевых проблем:

-существенное уменьшение влажностной усадки неавтоклавного газобетона;

-организация промышленного производства газобетона с прочностью, равной или превышающей прочность автоклавного газобетона;

-максимальное использование отходов промышленного производства как основного сырья.

Это позволит решить вопросы:

-снижения себестоимости товарных газобетонов и изделий из них.

-утилизации отходов;

1.3.1 Физико-механические свойства неавтоклавных ячеистых бетонов

Теплоизоляционные ячеистые бетоны предназначены для утепления строительных конструкций и тепловой изоляции промышленного оборудования при температуре изолируемой поверхности до 400 °С. Для теплоизоляции поверхностей печей и трубопроводов с температурой применения до 700 °C используют жаростойкие ячеистые бетоны.

Плотность и прочность являются главными показателями качества ячеистого бетона.

Плотность косвенно характеризует пористость ячеистого бетона (соответственно 85-60 %).

По показателям средней плотности назначают следующие марки бетонов в сухом состоянии: D300; D350; D400; D500; D600; D1200.

Марка ячеистого бетона определяется при прочности на сжатии образцов. Ячеистые бетоны относятся к хрупким материалам.

Теплопроводность ячеистого бетона зависит от его средней плотности и его влажности. По ГОСТ 16381-70, ячеистые бетоны средней плотностью 300-500 кг/м3 относятся к классу средне-теплопроводных материалов, а средней плотностью до 700-800 кг/м - к теплоизоляционным материалам повышенной теплопроводности.

Водопоглащение и влажность ячеистых бетонов зависят от средней плотности ячеистого бетона и относительной влажности воздуха. Чем выше относительная влажность воздуха, тем больше влажность ячеистых бетонов. Паро- и воздухопроницаемость бетонов определяется их пористостью, а следовательно, средней плотностью в сухом состоянии. Зависимость этих показателей от средней плотности приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Влияние средней плотности ячеистого бетона на его свойства

Свойства	Марка по плотности, кг/м3
	300	500	700	900
Теплопроводность, Вт/(мК) Коэффициент паропроницаемости, г/(мчПа) Коэффициент воздухопроницаемости, г/(мчПа)	0,08-0,094 0,0248 0,92	0,1-0,12 0,0169 0,50	0,15-0,16 0,0117 0,26	0,23-0,25 0,0098 0,12

Коэффициент температурного линейного расширения ячеистых бетонов по различным данным колеблется от 8 10-1 град-1 до 14 10-6 град-1.

Водопоглащение и морозостойкость зависят от величины и характера пористости ячеистого бетона и плотности перегородок между макропорами (ячейками). Для снижения водопоглащения и повышения морозостойкости стремятся к созданию ячеистой структуры с замкнутыми порами. Этому способствует вибрационная технология, так как при вибрации газобетонной смеси разрушаются крупные ячейки, снижающие морозостойкость и однородность материала.

Морозостойкость определяют путём попеременного замораживания и оттаивания, насыщенных водой образцов. Для ячеистых бетонов в зависимости от числа выдержанных циклов назначают и контролируют следующие марки по морозостойкости: F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150 и F200. Причиной разрушения материала из-за попеременного воздействия положительных и отрицательных температур является увеличение объема воды при замерзании в порах примерно на 9 %. Для панелей наружных стен применяют ячеистый бетон марок F15, F25 в зависимости от влажности атмосферы в помещениях и климатических условий. Более высокая морозостойкость требуется от конструкционного ячеистого бетона, подвергающегося многократному замораживанию и оттаиванию.

Согласно ГОСТ 25485-89 усадка при высыхании неавтоклавных ячеистых бетонов не должна превышать 3 мм/м. Такая величина влажностной усадки приводит к образованию трещин. Это, прежде всего, касается крупноразмерных изделий, монолитных стен и покрытий. Усадка зависит от состава ячеистого бетона, плотности и условий твердения. Ячеистый бетон при твердении на воздухе с 70-80 % относительной влажностью и температурой 20 °С при средней плотности 600-800 кг/м в возрасте 300 суток имеет усадку 0,4-0,6 мм/м, при 1200 кг/м3 - 0,2 мм/м.

Для сравнения автоклавный ячеистый бетон имеет усадку 0,05-0,4 мм/м, пеносиликат - около 0,65 мм/м и газобетон - 0,1-0,5 мм/м. С уменьшением водотвердого отношения В/Т или увеличением средней плотности уменьшается и усадка. Если при высыхании наблюдается усадка, то при увлажнении происходит набухание. Усадку в бетонах можно разделить на две составляющие: первая - усадка, обусловленная давлением воды в капиллярах цементного камня при ее испарении, и вторая - за счет действия физико-химической контракции. Процесс усадки включает следующие основные две стадии [21]:

-на первой стадии клинкерные минералы после контакта с водой интенсивно диспергируются, образуя цементный гель;

-на второй стадии гель пресыщается, и в нем начинают выкристаллизовываться новообразования. При этом объем кристаллов в 2,2 раза меньше объема геля. Процесс сопровождается образованием контракционных пустот (пор), а сам процесс называется контракцией.

Усадка при высыхании неавтоклавных ячеистых бетонов марок по средней плотности D500 и ниже не нормируется и не влияет на теплопроводность газобетона.

Огнестойкость ячеистого бетона в основном зависит от способности составляющих его компонентов не разрушаться при нагреве до высоких температур. Применение газобетона средней плотностью 500-700 кг/м3 при температуре 700 °С возможно при введении в массу тонкомолотых добавок - шамота, керамзита, кварца, немолотой золы-уноса, в противном случае максимальная температура применения не превышает 500 °С.

1.4 Физико-химические процессы формирования пористой структуры ячеистого бетона

Макро- и микроструктуру ячеистого бетона можно представить структурой порового пространства и структурой межпоровых перегородок.

Поровое пространство характеризуется формой, размерами, распределением пор в массиве и их общим содержанием [23].

Формирование пористой структуры ячеистого бетона происходит в результате выделения определенного объема газа, образующегося на поверхности равномерно распределенных микрочастиц газообразователя, например, при протекании химической реакции между алюминиевой пудрой и гидроксидом кальция с выделением водорода:



3Са(ОН)2 + 2Аl + 6Н2О = 3СаО·Аl2О3·6Н2О + 3Н2.

Газообразование включает три стадии: зарождение газовых пузырьков на поверхности частиц алюминиевой пудры, увеличение их объема, стабилизацию размеров и локализацию газовых пузырьков - пор. Общая пористость ячеистого бетона изменяется, по данным ряда авторов, от 68,7 до 79,9 %, а объем капиллярных пор радиусом - в пределах 0,01-50 мкм - 361,3-562,5 мм3/г и возрастает для материалов с пониженной плотностью за счет увеличения доли переходных пор радиусом 0,1-0,01 мкм. Максимальную прочность имеют образцы газобетона с водопоглощением 30-32 % и объемом переходных пор - 165-225 м3/г.

Основными условиями получения качественной ячеистой структуры с порами правильной сферической формы, равномерно распределенными в массе бетона без дефектов поровой структуры, является вид, качество и количество газообразователя, и соответствие кинетики газовыделения изменению реологических характеристик вспучиваемой ячеистобетонной массы. Для достижения соответствия скоростей процессов газовыделения и нарастания пластично-вязких свойств вспучивающейся массы, которая в начале процесса газовыделения должна нарастать медленно, а в конце - быстро, используют различные технологические приемы - это регулирование В/Т отношения, температуры воды затворения.

Эффективным оказывается управление структурообразованием ячеистых масс при введении добавок и механического воздействия при формовании изделий. При вибрационном (ударном) воздействии происходит тиксотропное разжижение ячеистых масс, что позволяет регулировать кинетику ее пластично-вязких свойств с учетом кинетики газовыделения. В этом случае происходит резкое снижение предельного напряжения сдвига и в меньшей степени вязкости, это предотвращает седиментацию дисперсных частиц и коалесценцию газовых пузырьков, что позволяет получить равномерно пористую ячеистую структуру без дефектов межпоровых перегородок. Установлено, что при формировании мелких (менее 0,5-1 мм) пор в бетонеячеистая структура отличается большей сообщаемостью пор, при крупнопоровом строении бетона (поры 3-4 мм) структура неоднородна и это приводит к снижению прочности изделия, а структура с порами 1-3 мм ячеистокапиллярная и однородная способствует увеличению прочности бетона.

1.4.1 Структура межпоровых перегородок

Микроструктура определяется минеральным составом, степенью дисперсности и кристаллизации новообразований, плотностью и прочностью материала межпоровой перегородки, и зависит от вида, состава сырья и ячеистобетонной массы, В/Т отношения, условий поризации, формования и твердения ячеистых бетонов.

Основными способами формирования качественной межпоровой перегородки является повышение ее плотности и уменьшение пористости материала межпоровой перегородки, что соответственно приводит к увеличению ее прочности при сжатии и изгибе и достигается снижением водотвердого отношения ячеистых масс и введением специальных добавок, ускоряющих процессы твердения (СaCl2) и высокодисперсных, структурирующих вспученные массы (полуводный гипс, микрокремнезем), повышающих одновременно степень гидратации и кристаллизации новообразований при твердении цемента.

Получение минимально возможной толщина межпоровых перегородок требует жесткого подхода к дисперсности кремнеземистого заполнителя, а при низких плотностях изделий и к дисперсности цемента - при порах 1-2мм и плотности 800 кг/м3 минимальная толщина перегородки не может быть более 0,3-0,6 мм, 600 кг/м3 - 0,17-0,32 мм, 400 кг/м3 - 0,1-0,2 мм, т.е. максимальный размер частиц песка и цемента должен быть в 3-5 раз меньше минимальной толщины перегородки. Исследования фракционированных продуктов песка (фракции 2,5; 1,25; 0,63 мм) в качестве заполнителей ячеистых масс показали, что введение их в состав масс нарушает равномерность пористой структуры при снижении усадки, а помол песка до удельной поверхности 300 м2/кг не влияет на структуру перегородок. Установлен положительный эффект при формировании вариатропных структур ячеистого бетона, т.е. структур с заданным переменным содержанием пор по рабочему сечению изделия, полученных прикатыванием горбушки, послойной заливкой, посыпанием сухими материалами поверхности изделия или введением.

И. Б. Удачкиным предложен новый способ поризации ячеистых масс (баротермальный), предусматривающий насыщение массы сжатым воздухом в герметичном смесителе и выгрузку в формы, где в результате перепада давлений воздуха в смеси и атмосферного происходит ее вспучивание.

Таким образом, в зависимости от состава ячеистых масс, качества сырьевых материалов и технологии фактором оптимизации состава и структуры ячеистого бетона является соотношение между толщиной межпоровой перегородки и диаметром пор, которое должно составлять 0,1-1 и свидетельствовать о формировании определенного типа структуры (псевдоячеистая крупнокапиллярная, предпочтительнее формирование ячеистокапиллярной однородной и крупнопоровая неоднородная), что позволяет получать бетоны плотностью 300-1000 кг/м3.

1.5 Физико-химические процессы твердения неавтоклавного ячеистого бетона

Твердение неавтоклавных ячеистых бетонов осуществляется при пропаривании в среде насыщенного водяного пара при температурах 80 - 90 0С и атмосферном давлении по специальным режимам: нагрев (1-2 час) - изотермическая выдержка при максимальной температуре (6-8 час) - естественное охлаждение (1,5-3 час) или реже в естественных условиях при температуре окружающей среды 25 0С и атмосферном давлении. Неавтоклавные ячеистые бетоны изготавливаются в основном при использовании портландцемента и его разновидностей при их повышенном содержании, и именно процессы схватывания и твердения цемента в присутствии компонентов ячеистой массы определяют минеральный состав новообразований и свойства изделий.

Фундаментальные основополагающие теоретические положения о гидратации и твердении портландцементов заложены в работах А. Ле-Шателье, В.Михаэлиса, П.А. Ребиндера, В.Б. Ратинова, Ю.М. Бутта, Л.Н. Рашковича, А.В. Волженского, А.А. Байкова, и др.; значительный вклад в развитие механизма процессов гидратации и твердения цемента внесли О.П. Мчедлов-Петросян, А.Ф. Полак, М.М. Сычев, И.П. Выродов и др., формированию структуры и самоармированию цементного камня посвящены избранные труды В.В. Тимашева, обобщенные и современные представления о химии цементов изложены в монографии Х.Ф. Тейлора.

Портландцемент, состоящий из полиминеральных частиц, активно взаимодействует с водой сразу при соприкосновении с ней. При изготовлении ячеистого бетона портландцемент начинает взаимодействовать с водой на стадии смешения компонентов ячеистобетонной массы, приготовления формовочной смеси, ее поризации, вызревания и выдержки массива перед тепловлажностной обработкой, что происходит при нормальной температуре. За это время, согласно основным стадиям процессов гидратации и твердения цемента, произойдет начало схватывания портландцемента.

Основными стадиями сложных физико-химических процессов схватывания и гидратационного твердения цемента являются: растворение минералов клинкера в воде с образованием пересыщенных растворов, кристаллизация из растворов новых гидратных соединений, их перекристаллизация.

Процессы гидратации портландцемента, изученные с использованием электронной микроскопии при сверхвысокой разрешающей способности, позволяют описать морфологические особенности новых гидратных фаз и исследовать поровый раствор гидратированного цемента, установить последовательность образования новых соединений при твердении цемента. Известь, содержащаяся в клинкере, быстро (в первые 2-5 мин) реагирует с водой, образуя гидроксид кальция с размерами частиц 10-20 мкм, возможна реакция извести со щелочными сульфатами калия и натрия с образованием гипса и сингенита (через 5-20 мин), а с алюминатами кальция - эттрингита.

Алюминат кальция быстрее всех реагирует с водой при отсутствии сульфата с образованием гидроалюмината кальция, кристаллы которого создают решетчатую структуру. В присутствии гипса образуются кристаллы гидроалюмината кальция размерами 2х2х0,05 мкм, а на их поверхности и поверхности других минералов через 2-30 мин - маленькие кристаллы эттрингита длиной 100-400 нм и диаметром 50-100 нм, к концу твердения кристаллы эттрингита имеют размеры около 2,5 мкм.

В первые два часа гидратации цемента установлено образование твердого раствора моносульфата и гидроалюмината кальция. На поверхности зерен алита и белита происходит очень медленная их гидратация, а затем скорость реакции алита резко возрастает. Химическая реакция алита начинается через 2-3 час. На поверхности клинкерных фаз образуются отдельные остроконечные С-S-Н фазы, ее кристаллы вырастают в процессе гидратации в направлении пор вначале (через 2 часа и до 1 сут) до размеров около 600 нм, а затем через 28 суток имеют длину 1-2 мкм и диаметр 50 нм. Во время гидратации алита образуется плотная оболочка из иглообразных кристаллов С-S-Н фаз на клинкерных зернах. Гидратированный край зерен клинкера состоит преимущественно из С-S-Н фаз, а между ними распределены кристаллы эттрингита. Кристаллы портландита, образующегося при гидратации алита, имеют форму гексагональных пластинок, прирастающих к зернам клинкера, и фиксируются в твердеющей системе через 12 час и до 28 суток.

Особенности химических превращений сырьевой смеси из цемента, извести, кварца, гипса и алюминиевой пудры связаны с первичным образованием в ячеистобетонной массе портландита, водорода, затем эттрингита; гидратацией алюмината кальция с образованием С3АН6 и трехкальциевого силиката с образованием CSH-геля и (СаОН)2.

При тепловлажностной обработке ячеистых изделий насыщенным паром отмечается более высокая степень гидратации алита, ускоряется образование и увеличивается количество CSH-геля, тоберморитовых соединений различной степени кристаллизации.

Введение тонкомолотых (10000 см2/г) добавок (например, известняка) в цементосодержащие системы компенсирует замедление гидратации цемента, вызванное действием суперпластификатора, авторы отмечают более высокую степень гидратации алита в присутствии извести.

1.6 Предварительная водная и механохимическая активация

Для получения равнопрочного бетона меньшей средней плотности со сниженным удельным расходом цемента, рассмотрена возможность использования эффекта упрочнения за счет проведения водной механохимической активации сырьевой смеси. Традиционно для перехода сырья в химически активное состояние используется его тонкое измельчение. При этом высвобождается часть внутренней энергии вещества, реализуемая в последующих физико-химических превращениях, происходит непосредственное превращение механической энергии измельчителя в химическую энергию измельчаемого материала.

Для измельчения твердых материалов созданы различные конструкции измельчителей, отличающихся типом, производительностью, способом механического воздействия на вещество: раздавливание, удар, истирание, раскалывание и др. Обычно в современных измельчителях сочетаются два или более видов таких воздействий.

Использование механохимической активации эффективно для мокрого домола цементов в особенности совместно с активными и инертными добавками. Под действием измельчителя в твердом теле сначала возникают поверхностные микротрещины, которые потом постепенно разрастаются внутрь. При адсорбции в эти микротрещины молекул жидкости вероятность их залечивания значительно снижается. Таким образом, время на разрушение материала в жидкой среде сокращается, снижаются и затраты энергии на диспергирование. Исследование влияния гидромеханической активации цемента показало на ускоренный набор прочности в начальные сроки твердения. Цементы обрабатывались в течение различного времени (от 1 до 10 мин.). Определение прочности образцов (таблица1.2) показало, что основной прирост прочности цементного камня достигается при обработке цементной суспензии в течение 2-5 минут. Установлено, что во всех случаях гранулометрический состав цемента изменялся в сторону увеличения количества мелких частиц (менее 10 мкм)

Таблица 1.2 - Прочность образцов в зависимости от времени обработки

Прочность при сжатии, МПа	Время обработки, мин
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
2 суток	16,5	18,0	19,5	19,2	19,0	17,0	15,5	13,5	12,3	12,1
28 суток	26,7	29,4	31,0	30,5	30,0	25,0	20,1	19,2	18,4	16,5

Таблица 1.3 - Гранулометрический состав цемента

Степень подготовки материала	Количество частиц (%) во фракциях размером (мкм)
	Более 200	200-80	60-10	10-5	5-0
Без обработки	2,0	12,0	65,0	15,8	5,20
Пятиминутная обработка	-	-	39,5	40,5	20,0

Таблица 1.4 - Прочность образцов «лежалого» цемента

Вид обработки	Прочность при изгибе, Мпа
	2 сут.	7 сут.	28 сут.
Без обработки	0,5	0,7	0,8
Обработка 3 мин.	2,8	3,5	5,0



Эффективность активации цемента позволило предложить способ использования «лежалого» цемента. Для исследования был взят цемент, хранившийся в течение 6 мес. На открытом воздухе, прочность которого через 2 суток твердения составляла всего 0,5 МПа (таблица 1.4).

Таким образом, гидромеханическая активация позволяет получать быстротвердеющие высокопрочные цементы и способствует активации цемента, потерявшего активность при длительном хранении.

Введение в бетонную смесь вместо порошка цемента цементно-водной суспензии (ЦВС), содержащей гидратированные частицы - новообразования, позволяет в начальный период схватывания и твердения повысить степень гидратации цемента и получить цементный камень с более высокой степенью однородности [24].

Результаты заводского опыта показывают, что применение метода механохимической активации позволяет значительно повысить качество изделий, получаемых в рамках традиционной технологии. Поскольку при этом не требуется существенного изменения большинства технологических процессов, а коммерческие свойства изделий значительно повышаются, то в целом использование стадии механохимической активации сырья приводит и к улучшению экономических показателей производства. Несомненным достоинством также является и то, что предварительная активация эффективна при использовании низкосортного сырья, чем значительно расширяет сырьевую базу.

1.7 Влияние температуры

Каталитическое воздействие на разложение оказывает температура среды, в которой протекает реакция. Легче всего регулировать температуру среды, подогревая воду затворения или водно-песчаную суспензию при мокром помоле [22]. Процесс разложения сопровождается выделением тепла. Таким образом, в определенный момент температура суспензии возрастает за счет экзотермичности реакции разложения и достигает величин, приведенных в таблице 1.2.

Таблица 1.5 - Повышение температуры суспензии

Температура воды затворения, оС	Температура суспензии, оС	Максимальный прирост температуры суспензии, оС
20	40	20
25	45	20
30	50	20
35	55	20
40	60	20
45	70	25
50	75	25
55	75	20
60	80	20

Рисунок 1.1 - Зависимость процесса газовыделения от температуры воды затворения

Следует ответить, что повышение температуры воды затворения ( а следовательно, и температуры суспензии) до 45 °С вызывает увеличение суммарного объема газа, выделяющегося за 5 мин.

При температуре воды затворения, превышающей 50 °С, значительно возрастает скорость загустевания ячеистой смеси, которое наступает значительно раньше, чем схватывается цемент, входящий в состав суспензии.

Общее количество выделяющегося газа за эти 5 мин не возрастает [22].

Однако с ростом температуры газообразование ускоряется, и образуются более крупные пузырьки газа, подъемная сила которых больше, чем мелких. Пузырьки газа вырываются из суспензии, и она опадает. Таким образом, если температура превышает оптимальную, т. е. 40-50 °С, то объемный вес газобетона при прочих равных условиях возрастает. Влияние температуры воды затворения на прочность и объемный вес неавтоклавного газобетона иллюстрируется диаграммами рисунок 1.2.

При температуре воды затворения 50 °С газобетон обладает при относительно низком объемном весе достаточно высокой прочностью. Такая температура соответствует исходной температуре суспензии, приблизительно равной 30 °С [7].

Рисунок 1.2 - Влияние температуры воды затворения на прочность и объемный вес неавтоклавного газобетона

1.8 Достоинство и недостатки неавтоклавного газобетона

Достоинства:

неавтоклавный газобетон достаточно прочен, негорюч, не поддается гниению, экологически безопасен, не боится плесени и воды;

высокая теплосберегающая способность. Характеристики теплопроводности сопоставимы с характеристиками древесины;

материал пористый, легко поддается резке и обработке, сохраняя при этом прочностные характеристики;

не содержит в своем составе вредных веществ;

небольшой вес каменных стен из автоклавного газобетона, что в свою очередь снижает затраты на обустройство фундамента;

низкая стоимость - отсутствие высоких требований к производству, положительно влияет на цену конечного продукта;

производить неавтоклавный газобетон можно недалеко от стройплощадки. Это позволяет снизить стоимость доставки материалов;

возможность использования монолитного неавтоклавного газобетона;

производство неавтоклавного ячеистого бетона - это дешевый способ производства газобетона. Инвестиции в производство неавтоклавного газобетона в сотни раз ниже затрат на производство автоклавного газобетона.

Недостатки:

менее прочный, чем автоклавный газобетон. Прочность неавтоклавного газобетона напрямую зависит от количества добавленного цемента;

большая усадка. Изделия набирают прочность в течении месяца при естественных условиях, при этом происходит усадка материала, которая не прекращается по истечении этого срока и может достигать 3-4 мм/м. Окончательную отделку помещений приходится отодвигать на более поздний срок;

невозможно использовать блоки сразу после производства, пока они не достигнут расчетной прочности (минимум 28 дней).

1.9 Цели и задачи исследования

Цель исследования: получить неавтоклавный газобетон пониженной плотности.

Задачи:

- выполнить аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по проблеме производства неавтоклавного газобетона;

-исследовать состав и свойства сырьевых материалов;

-изучить влияние вида и количества активных добавок на физико-механические свойства газобетона.

-исследовать влияние температурного режима на процессы твердение газобетонной смеси;

-получение газобетона неавтоклавного твердения с заданными свойствами и с использованием различных добавок и выявление закономерностей, позволяющих оперативно корректировать составы в производственных условиях.

...