Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы

Для приготовления пены могут использоваться [38] пеновзбиватели, состоящие из барабана, лопастного вала (при 240 об/мин) и электродвигателя. При этом пеновзбиватель должен быть расположен под смесителем (растворомешалки типов С-208, С-209, и С-290, бетономешалки типа С-356, смесители типа СМ-806, пенобетономешалки типов Л-315 и СМ-578), чтобы приготовленная пена выливалась в него путём опрокидывания барабана пеновзбивателя.

Пенообразователями могут служить центробежные насосы консольного типа 6К6, 8К6, КНШ, КНФ и др. При этом необходимо применять ёмкости для пены, устанавливаемые над растворомешалками, например в схеме приготовления пены центробежным насосом (рис. 11): 1-насос; 2 - бак для пенообразователя; 3 - дозировочный бак; 4 - прорезиненный шланг; 5 - бак для пены; 6 - смеситель для приготовления бетонной смеси.

Рис. 11. Схема приготовления пены центробежным насосом

В устройстве для приготовления технической пены (а. с. 1375472 СССР, В28С5/38, опубл. 1988) содержащем корпус с расположенным внутри него разбрызгивающим приспособлением в виде конуса, систему рециркуляции с насосом, выгрузочное приспособление, для повышения качества пены, дополнительно используется приспособление контроля готовности пены, установленное на конусе и электрически соединенное с выгрузочным приспособлением, причем конус выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Устройство содержит корпус 1 (рис. 12), в верхней части которого расположена горловина 2, соединенный с центробежным насосам 3 через всасывающий 4 и нагнетающий 5 трубопроводы.

Рис. 12. Устройство для приготовления технической пены

Схема пеногенератора ПГ-3, разработанного ВНИИстромом [105], включает (рис. 13): 1 - расходный бак; 2 - поплавковую систему; 3 - бак постоянного уровня; 4 - запорный и регулировочный клапан; 5 - пеногенератор; 6 - электродвигатель. Вначале приготавливается рабочий раствор из расчета 3 л пенообразователя на каждые 100 л воды, полученный раствор перекачивается в расходный бак установки УПБ, а затем через поплавковую систему поступает в бак постоянного уровня и через регулировочный клапан в пеногенератор, где раствор перемешивается с всасываемым из атмосферы воздухом с получением дисперсной технической пены.

Рис. 13. Схема пеногенератора ПГ-3

Для приготовления пены при двухстадийной технологии получения пенобетона или непрерывной совмещенной технологии, применяют аппараты на основе высокоскоростных мешалок [106-109], в этом числе с вовлечением воздуха в поризуемый раствор за счет эффекта кавитации.

Например, пеногенератор (а. с. 1260213 СССР, В28С5/16, опубл. 1986), содержащий расположенный на опоре корпус с загрузочными и выгрузочными устройствами, днище, крышку, вал с сетчатыми лопастями, для повышения производительности снабжен крестовинами для крепления лопастей к валу, механизмом регулирования рабочего объема, выполненного в виде диафрагмы с приспособлением для фиксации и пневмоприводном, соединенным с выгрузочным устройством, причем расстояние от днища до верхней кромки крестовины составляет 0,4 - 0,5 высоты корпуса, а размер ячеек лопасти составляет 0,013 - 0,01 диаметра корпуса. Пеногенератор состоит из установленного на опоре корпуса 1 (рис. 14) с размещенным в нижней его части вертикальным валом с крестовинами 3 для крепления сетчатых лопастей 4. В верхней части корпуса 1 располагается механизм регулирования рабочего объема корпуса, выполненный в виде диафрагмы 5, фиксаторов 6, расположенных в направляющих 7 крышки 8, причем сама диафрагма 5 снабжена вертикальным штоком 9 с пневмоцилиндром 10, установленном на крышке 8 и объединенным трубопроводом через ресивер с вторым пневмоцилиндром, установленным наклонно на выгрузочном устройстве 11 и соединенном своим штоком с шиберной заслонкой, а через нее с лотком бетоносмесителя.

Рис. 14. Пеногенератор

Для подачи рабочего раствора, газа и воды в корпусе 1 (рис. 14) расположены соответствующие патрубки 12, 13,14. При работе рабочий раствор пенообразователя подается в корпус 1. С помощью привода вала 2 происходит взбивание пены. После завершения пенообразования диафрагму 5 опускают до уровня верхней кромки крестовины 3. Одновременно с этим открывается шиберная заслонка и пена поступает в бетоносмеситель. Диафрагма 5 возвращается в исходное положение. Шиберная заслонка закрывается и пеногенератор готов к повторному приготовлению пены.

Устройство для приготовления технической пены (а. с. 1263535 СССР, В28С5/38, опубл. 1986) содержащее (рис. 15) емкость с загрузочным и выгрузочным отверстиями, с устройством для подвода и вывода воздуха, поризатор, выполненный в виде коаксиально расположенных с зазором наружной и внутренней перфорационной обечаек, лопастной вал с турбиной и нагнетательным винтом, смонтированные внутри перфорационной обечайки, для повышения качества пены за счет увеличения дисперстности пены при снижении ее плотности, оно снабжено коническим кольцом, а обечайки выполнены в виде усеченных конусов, соединенных большими основаниями в верхней части емкости и меньшими с кольцом в нижней ее части, при этом угол при вершине внутренней обечайки составляет 32 - 50°, а наружной - 20 - 30°, причем лопасти могут быть расположены эквидестонтно относительно внутренней перфорационной обечайки, при этом их нижняя кромка выполнена гребенчатой.

Рис. 15. Устройство для приготовления технической пены

Устройство содержит емкость 1 (рис. 15) с загрузочным и выгрузочным отверстиями 2 и 3, с устройством для ввода и вывода воздуха 4 и 5 и поризатора 6, который состоит из перемешивающего механизма в виде вертикального лопастного вала 7, закрепленного в подшипниковом узле 8, и коаксиально расположенных с зазором наружной и перфорационной обечаек 9 и 10, соединенных большими основаниями в верхней части, а в нижней части поризатора 6 соединены меньшими основаниями через коническое кольцо 11. На лопастном валу 7 установлена турбина 12, перфорационные лопасти 13, нижняя кромка которых может иметь гребенчатый профиль и нагнетательный винт 14. Днище емкости 1 оборудовано затвором 15 для выгрузки пены, открывающимся при помощи пневмоцилиндра 16. При работе в емкость 1 через загрузочное отверстие 2 подают порцию раствора пенообразователя, затем включают электродвигатель. При вращении лопастного вала 7 нагнетающий винт 14 подает пенообразователь в пространство поризатора 6 через коническое кольцо 11. При входе в расширяющееся пространство поризатора 6 поток пенообразователя захватывается лопастным валом 7 и отрывается от стенок перфорационной внутренней обечайки 10, создавая разряжение воздуха, что обеспечивает приток дополнительного воздуха из атмосферы через устройство для подвода воздуха 4, трубопровод и отверстие перфорированной внутренней обечайки 10. Отверстия, диаметр которых равен 0,5 - 4 мм расположены в шахматном порядке на расстоянии 10 - 20 мм друг от друга. Для интенсификации процесса поризации пенообразователя можно использовать сжатый воздух, подводимый к устройству для подвода воздуха 4. Вращающиеся перфорационные или сеточные лопасти 13 обеспечивают дробление крупных ячеек пены на мелкие пузыри и передвижение пены в верхнюю часть поризатора. Насыщение воздухом пены обеспечивается за счет увеличения рабочего объема камеры поризатора 6 по его высоте. Далее пеномасса попадает на турбину 12, которая сбрасывает ее на стенки емкости 1. Пена стекает в нижнюю часть емкости 1 и нагнетающий винт 14 подает ее снова в рабочий объем поризатора 6. При многократной циркуляции получают пену высокой кратности (10 - 16) и дисперстности (размер ячеек 0,4 - 0,7 мм). Готовая пена выгружается при открытии затвора 15 с помощью пневмоцилиндра 16, под собственным весом в отверстие 3, а из поризатора 6 выбрасывается лопастями 13 и турбиной 12 при включенном электродвигателе.

В устройстве для приготовления технической пены (а. с. 1364485 СССР, В28С5/38, В01F 13/08, опубл. 07. 11. 1988), содержащем корпус с днищем и крышкой, перфорированную гильзу с коаксиально расположенным внутри нее вертикальным приводным шнеком с пропеллером в нижней его части, для повышения качества пены, дополнительно используется неподвижная электромагнитная система, размещенная на боковой поверхности корпуса, притом последний выполнен в форме усеченного конуса, к большому основанию которого прикреплено днище. Устройство содержит корпус 1 (рис. 16) с днищем, крышкой и перфорированной гильзой 2.

Рис. 16. Устройство для приготовления технической пены

Корпус 1 (рис. 16) выполнен в форме усеченного конуса, а гильза 2 изготовлена из немагнитного материала. Внутри гильзы 2 размещен ферромагнитный шнек 3, который вращается в подшипниковом узле 4. В нижней части шнека3 расположен пропеллер 5. На боковой поверхности 1 расположена неподвижная электромагнитная система 6. В верхней части корпуса 1 расположено отверстие 7 для загрузки пенообразователя, а в нижней части - люк 8 для выгрузки пены. При работе пропеллер 5 шнека 3 вовлекает пенообразователь в полость гильзы 2 (n = 400 - 800 об/мин) и он движется вверх. При движении пенообразователя через перфорации гильзы 2 происходит воздухововлечение и жидкость перемещается с воздухом, после чего стекает в нижнюю часть корпуса 1, где снова перемешается с воздухом. Воздухововлечению способствует неоднородное магнитное поле, создаваемое в объеме корпуса 1.

Смеситель-порогенератор (а. с. 2109557 Россия, В01F 7/04, В28С 5/14, опубл. 07. 11. 1996) содержащий корпус с загрузочным окном и дозирующим устройством на одном конце и выгрузочном на противоположном, установленный в корпусе по крайней мере один продольный приводной вал, несущий смесительно-толкающие лопасти, для улучшения качества пеносмеси, он снабжен поперечными решетчатыми диафрагмами, установленными в корпусе между смесительно-толкающими лопастями, выполненные с дополнительными парами стержневых венчиков.

Установка непрерывного приготовления пенобетона под давлением [110] дает возможность получения однородной массы пенобетона с минимально возможными размерами замкнутых пор для средней плотности пенобетонной смеси и использовании любого доступного пенообразователя (можно отказаться от дорогостоящего пенообразователя «Неопор» и использовать отечественный «Пеностром» или синтетическое моющее средство «Прогресс»). Установка включает следующее оборудование: бетоносмеситель СБ-169; героторный насос с приемным бункером; агрегат «Супермиксер СТ-10»; компрессор производительностью 12 м³/ч и давлением 0,8 МПа; комплект гребенчатых форм.

В турбулентно-кавитационном смесителе [111] снабженном лопастями минимального аэродинамического сопротивления, во время поризации за лопастями со специальными насадками образуются кавитационные каверны, давление в которых на 15-20% ниже атмосферного. Из-за разницы давления происходит процесс самопроизвольного засасывания воздуха в смесь с образованием и равномерным распределением по объему смеси мелких пузырьков воздуха, которые стабилизируются пенообразователем и армируются частицами цемента и песка. Утверждается [111], что высокая устойчивость пенобетонной смеси к укладке и расслоению получается в этом случае вследствие условий формирования пузырьков воздуха при пониженном давлении. После прекращения процесса поризации давление возрастает до атмосферного и дополнительно сжимает пузырьки. В результате получают пенобетон, водонасыщение которого не превышает 10%.

Пеногенератор фирмы «КВЕ наукоемкие технологии» (г. Орёл) типа ВП-5М основан [112] на принципе эжектирования воздуха в движущуюся струю раствора с низкой энергоемкостью. При этом возможно плавное регулирование кратности пены и ее объема. С помощью него получают стойкие и легкие пены со средней плотностью 40 г./л на тяжелых пенообразователях (типа СДО и СНВ). Пеногенератор совместим с различными типами смесителей, при условии отсутствия в растворе слоистых структур. Обеспечивается устойчивый режим генерации пены даже на жесткой воде, причем при температуре пенообразующей жидкости ниже, чем у аналогов. Для приготовления растворной смеси без расслоения используют смеситель циклоидного типа, где вместо лопаток работает двухзаходный винт, обеспечивающий равномерное распределение пены по всему объему. Для транспортировки монолитного пенобетона (до 100 м) без снижения его свойств используется героторный насос.

Пеногенератор немецкой фирмы «Egama» содержит (рис. 17): 1 - компрессор; 2 - пульт управления; 3 - емкость на 500 л; 4 - резервную емкость на 40 л; 5 - заливные воронки; 6 -14 - штуцера различных размеров; 15-17 - соединительные шланги и парубки; 18-19 - соединительные патрубки; 20 - крестовину; 21 - муфту; 22-24 - гайки; 25-29 - вентили различных размеров; 30 - гибкий шланг высокого давления; 31-34 - манометры; 35-37 - предохранительные клапаны; 38 - вентиль для регулирования рабочего давления; 39 - перепускной клапан; 40 - патрубок для подачи пены; 41 - инжектор; 42-43 - сливные пробки.

Рис. 17. Пеногенератор

При проектировании установок для получения пенобетона необходимо учитывать, что устройства для приготовления пены являются наиболее важным элементом, определяющим качество пенобетона, и во многом лимитируют надежность и цену оборудования, например стоимость пеногенераторов производства ФРГ в среднем 34 000 евро, а выпускаемых в Казахстане 12 000 евро.

2.5 Совершенствование технологии пенобетона

Пенобетон готовят смешиванием вяжущих материалов (цемента, извести или гипса) с раствором пенообразователя. При взбивании пластичной строительной массы с пенообразователем формируется ячеистая структура, при затвердевании образуется скелет, в котором газовые ячейки разделены перегородками. Для получения газобетона добавляют смесь алюминиевой пудры и извести, при их взаимодействии выделяется водород, пузырьки которого равномерно распределяются по всей массе, затвердевающей с сохранением ячеистой структуры. Облегченные бетоны получают путем введения пористых материалов (пемзы, шлака, керамзита, глинистых сланцев, полистирола и других) [74, 113, 114].

Новые требования СН и П II-99 «Строительная теплотехника» (изменение 3) обязывают строительные организации увеличивать термическое сопротивление теплопередаче строительных конструкций в 3 раза. Решить эту проблему путем использования традиционных строительных материалов невозможно, т.к. пришлось бы увеличивать толщину стен в несколько раз. На установке УМПБ по технологии АО «Новостром» [115], для производства 1 м³ пенобетона используется цемент марки ПЦ-400Д20 (350-400 кг), песок (350-400 кг), пенообразователи типа шампуней (0,5-1,5 кг) и вода. Стандартный блок марки Д-600 (ГОСТ 21520-89) размером 20х20х40 см из пенобетона, массой до 15 кг заменяет до 8 кирпичей массой более 35 кг. Наружные стены из пенобетонных блоков могут быть в 1,5-2 раза тоньше.

Теплоизоляционный пенобетон согласно ГОСТ 25485 «Бетоны ячеистые. Технические условия» имеет минимальную марку по средней плотности, равную D300, а в соответствии с ГОСТ 5742 «Изделия из ячеистых бетонов теплоизоляционные» в зависимости от средней плотности изделия подразделяются на две марки: 350 и 400. Производство пенобетона со средней плотностью менее 300 кг/м³ потребовало [116] разработки технических условий на плиты из пенобетона теплоизоляционные, которые подразделяют на марки D150, D200, D250, D300, D350. Изготовление изделий из пенобетона марок D300 и D350 ведется, как правило, без специальных приемов по стабилизации пенобетонной смеси. Получение пенобетона марки D250 на портландцементе ПЦ 500-ДО достигается использованием добавок (сухой пенообразователь ТАСМ), повышающих седиментационную устойчивость частиц твердой фазы в пенобетонной смеси. Получение пенобетона марок ниже Д200 при традиционно применяемых схемах производства приводит к коалесценсции трехфазной пены и формированию крупнопористой структуры пенобетонных изделий с размером пор 2-7 мм, а также расслоению пенобетонных смесей, что требует соответствующих рецептур и технологических приемов. Недостатком пенобетона марки Д150 является влажностная усадка при высыхании с последующим трещинообразованием и разрушением плит. Вопросы трещинообразования в изделиях из теплоизоляционного пенобетона снимаются при организации его армирования.

Считается [117], что пенобетонные теплоизоляционные материалы позволяют, по сравнению с традиционными изделиями, повысить тепловое сопротивление ограждающих конструкций и на 20-40% снизить расход тепла на отопление зданий. Изменяя соотношение компонентов, можно получать разные типы пенобетона. По сравнению с кирпичной кладкой 1 м³ пенобетона в 2-2,5 раза дешевле.

Сравнительный анализ показал [118], что основными недостатками автоклавной технологии пенобетона являются относительно высокие энергозатраты и сложность формирования пористой структуры газобетона, которые требуют согласованного управления более чем 30 технологическими параметрами.

Для разрешения технологических сложностей при получении низкоплотных пенобетонов предлагается [119] применять специальные меры для предупреждения существенной усадки отформованной смеси в процессе ее твердения - повышать устойчивость газожидкостной пены, ускорять процесс схватывания пенобетонной массы, повышать дисперсность твердых частиц.

Расход вяжущего в производстве пенобетона напрямую связан с плотностью изделий. Например, для изделий плотностью до 400 кг/м³ матрица пенобетона полностью состоит из продуктов гидратации цемента. Применение заполнителей в виде немолотого кварцевого песка в этом случае практически исключено из-за низкой несущей способности пеномассы, приводящей к расслоению изделий по высоте. Производство пенобетона низкой плотности (< Д500) связано с проблемой низкой прочности на начальной стадии. Через 3 суток нормального твердения пенобетона марки Д400 прочность не превышает 0,5-1,5 МПа, что затрудняет распалубку и транспортирование изделий. Реальным путем повышения начальной прочности пенобетона является организация тепловой обработки - пропаривания [120].

Производство изделий из неавтоклавного пенобетона [121] более просто, но считается менее экономичным из-за более высокого расхода вяжущих и меньшей прочности изделий, чем изготовление изделий из автоклавного пенобетона. Однако, в определенных условиях (особенно построечных) производство ТИ, не несущих изделий из неавтоклавного пенобетона может быть целесообразно. Технология изготовления таких изделий состоит из следующих процессов: приготовление пенообразующей эмульсии; получение пены; приготовление цементного теста или цементного раствора; смешивание пены с цементным тестом или раствором; заполнение форм; твердение изделий в формах; освобождение (распалубка) изделий из форм. Необходимо учитывать, что неавтоклавный пенобетон, обладая достаточно высокими ТИ свойствами имеет и ряд недостатков: высокий удельный расход цемента; малую прочность; значительную усадку изделий, вызывающую образование трещин; большую продолжительность производственного цикла, достигающую 15 и более суток, связанную с необходимостью выдерживать пенобетон до приобретения им нужной прочности. Для изготовления неавтоклавного пенобетона используют портландцемент или пуццолановый портландцемент марки не ниже 400. Цемент с меньшей активностью приводит к понижению прочности пенобетона. Причем увеличивать расход цемента, чтобы предотвратить это, нельзя, так как увеличивается объемный вес и теплопроводность пенобетона. Применение шлакопортландцемента недопустимо, потому что этот цемент вызывает значительную усадку свежеприготовленного пенобетона, вследствие влияния химического состава доменных шлаков на стойкость пены.

Пена может подаваться в основную смесь различными способами:

1) добавление пены с использованием специального смесителя и перемешивание пены с основной смесью в бетоносмесителе;

2) подача пены насосом и ее перемешивание с основной смесью в смесителе с турбулентным потоком или в статическом смесителе;

3) подача пены под давлением с применением насоса, который используется для подачи основной смеси, при этом получается более жесткая пена с очень мелкими пузырьками, которая более эффективно перемешивается с цементным шламом, чем пена, полученная при атмосферных условиях.

Стабильность строительных пен обусловлена наличием мелкодисперсных твердых частиц. Механизм упрочнения пленок твердыми частицами нельзя объяснить лишь образованием каркаса или «бронированием», так как стабилизация пены может происходить и в тех случаях, когда дисперсных частиц недостаточно для полного покрытия пузырьков.

При изготовлении пенобетона вспенивающий агент, вода и сжатый воздух перемешиваются в пеногенераторе. Получаемая пена должна содержать 39 частей воды на 1 часть концентрата пены (2,5% концентрата пены), а плотность пены достигать 37,5-44 кг/м³. При этом достигаются параметры пенобетона, соответственно: плотность (кг/ м³), расход цемента (кг/ м³), объем пены (%), отношение вода / цемент, тип наполнителя, расход наполнителя (кг/ м³), прочность пенобетона (МПа) в возрасте 28 сут и 91 сут: 1) 500; 160; 72; 1,13; зола-унос; 160; 1,0; 1,4; 2) 525; 340; 73; 0,54; отсутствует; 2,0; 2,2; 3) 600; 340; 69; 0,57; песок; 66; 2,0; 2,2; 4) 1200; 340; 44; 0,66; песок; 635; 6,0; 7,0; 5) 1200; 340; 30; 1,1; зола-унос; 486; 7,5; 10.

Состав ячеистой массы подбирают опытным путем. Оптимальным соотношением между количествами пенообразователя и воды считают такое, при котором кратность стойкой пены будет не менее 20. Показателем стойкости пены являются снижение ее высоты при осадке и количество отделяющейся воды в течение 1 часа после приготовления пены. Расход цемента на 1 м³ пенобетона заданного объемного веса Yo можно приблизительно выразить отношением (₀ /1,5) исходя из следующих соображений. Вес 1 м³ пенобетона можно примерно считать равным весу цементного камня, пренебрегая при этом весом воздуха, заключенного в порах пенобетона. В свою очередь, вес цементного камня составляется из веса цемента и веса связанной в процессе твердения цемента воды, количество которой обычно бывает около 1,5% веса цемента. Чем больше должен быть объемный вес изделий, тем больше следует вводить песка в сухую сырьевую смесь. Отношения количества цемента к весу песка (Ц:П) для пробных замесов могут лежать в пределах от 1:1,2 до 1:2,8. При изготовлении пеносиликата отношение между количествами извести, цемента и песка (И:Ц:П) могут быть выражены как - 1: (0,7-1): (6-9). Водовяжущее отношение (В/Ц) для пенобетонных масс находится в пределах 0,26-0,34, а для пеносиликатных - 0,34-0,4. Необходимо учитывать, что цемент в виде теста способен удерживать около 36-40% воды по весу, а при большей добавке ее возможно водоотделение. Поэтому при изготовлении пенобетона не следует допускать избытка воды, так как свободная вода будет нарушать равномерное пористое строение материала. Недостаток воды также нежелателен, так как, в этом случае, пена, отнимая воду от цементного теста, делает его менее пластичным и снижает способность обволакивать пузырьки пены; при этом цемент в виде отдельных зерен неравномерно распределяется на поверхности пузырьков пены, пенобетонная масса становится неоднородной и плохо обрабатываемой. Оптимальное водоцементное отношение, находящееся в довольно узких пределах, определяют из условий получения заданной подвижности свежеизготовленной пенобетонной массы. Для определения подвижности пенобетона могут служить специальные вискозиметры.

Расход сырьевых материалов для получения 1 м³ пенобетона или пеносиликата можно определять по эмпирическим формулам [121]. Например, расход вяжущего вещества В₁ (цемента, извести или их смеси) определяют по формуле:

(11)

где k - коэффициент учета связанной воды в бетоне после запаривания, равный 0,95; Y_c - объемный вес пенобетона в сухом состоянии, кг/ м³; n - число частей песка на 1 вес часть вяжущего вещества.

Необходимое количество песка П будет равно B₁n. Расход воды B₂ выражают формулой:

(12)

Объемный вес пеномассы для получения пенобетона или пеносиликата заданного объемного веса определяют по формуле:

(13)

где В₃ - количество воды и пенообразующей эмульсии, л.

Вода для изготовления пенобетона должна отвечать тем же требованиям, что и для получения обычных бетонов: не быть загрязненной керосином, маслами, жирами и другими примесями, а также не содержать больше определенного количества минеральных солей, т.е. не быть жесткой. Пенообразующую эмульсию приготовляют с помощью тех же пенообразователей, что и для автоклавного пенобетона (смолосапонинового, клееканифольного и других). Пену, вяжущий раствор и пенобетонную массу приготовляют в пенобетономешалке, состоящей из 2 или 3 барабанов. Например, трехбарабанная пенобетономешалка (рис. 18) содержит барабан 1 растворомешалки, служащий для приготовления вяжущего раствора, вал которого вращается со скоростью около 60 об/мин; барабан 2, служащий пеновзбивателем при помощи лопастей, насаженных на вал и вращающихся со скоростью n = 240 об/мин, причем его лопасти должны быть легкими, чтобы при взбивании пены не разрушать ее; барабан 3, со скоростью вращения вала 62 об/мин, служит смесителем и предназначен для смешивания раствора с пеной и получения ячеистой массы. Все три барабана вращаются с помощью электродвигателей через редукторы 4. Для заливки готовой ячеистой массы в разливочный ковш служит лоток 5.

Рис. 18. Конструкция трехбарабанной пенобетономешалки

Барабаны поворачиваются вокруг горизонтальных осей при помощи поворотного механизма. При приготовлении ячеистой массы в пенообразователь сливают необходимые количества пенообразующей эмульсии и воды, после чего приводится во вращение вал с лопастями и взбивается пена, объем которой обычно в 20-30 раз больше объема взятой для вспенивания эмульсии. В растворомешалку загружают цемент (известь), песок и вливают воду для получения раствора, которые к концу цикла смешения должны приобрести сметанообразную консистенцию. В расположенный внизу смеситель поворотом барабана 1 сначала выливается раствор, а затем взбитая пена из барабана 2. Такая последовательность загрузки смесителя необходима потому, что при заполнении смеси сначала легкой пеной, а затем тяжелым раствором, пена будет разрушаться. Причем, смешивать раствор с пеной необходимо быстро, чтобы получить однородную ячеистую массу. Продолжительность цикла работы пенобетономешалки - около 6 мин. Готовая ячеистая масса направляется для заливки формы для изделий.

Агрегат СМ-863 для непрерывного приготовления пенобетонной массы состоит (рис. 19) из пеногенератора 1, двухвального смесителя 2, ленточно-ковшевого дозатора шлама 3 и объемного дозатора цемента 4. Применение такого непрерывного способа дает возможность получать пеномассу постоянного состава.

Рис. 19. Схема агрегата для непрерывного приготовления пенобетонной смеси

Изделия из пенобетонных масс формуют наливным способом, при котором ячеистая масса из пенобетономешалки поступает в сборный бункер, а из него, при помощи гибкого шланга или разливочного ковша - в металлические формы. При изготовлении армированных изделий в формы предварительно закладывают арматурный каркас. При этом пеномассу заливают медленно и осторожно для того, чтобы не разрушалась ее ячеистая структура и масса не оседала. Перемещая шланг или ковш вдоль формы, равномерно наполняют ее пеномассой. Наполненные массой формы оставляют для схватывания и последующего твердения ячеистой смеси.

Наружные ограждения с конструктивными слоями из ячеистого бетона обладают достаточно высокой тепловой устойчивостью, позволяющей выравнивать колебания температуры внутреннего воздуха помещений. Отсутствие мостиков холода и швов при монолитном утеплении конструкций ячеистым бетоном существенно повышает их теплоизоляционные качества. Общая пористость ТИ ячеистых бетонов плотностью 200-600 кг/м³ на портландцементном вяжущем достигает 92%. При этом оптимальная ячеистая структура характеризуется наличием равномерно распределенных замкнутых и полидисперсных по размеру пор с гладкой глянцевой поверхностью припорового слоя. Получение качественной макроструктуры пенобетона возможно только при использовании взаимодополняющих технологических и рецептурных факторов. Для изготовления ТИ пенобетона нужной плотности необходимо применение различных способов повышения устойчивости пены, предотвращающих расслоение материала и разрушение его ячеистой структуры [122]: 1) введение в проектируемый состав тонкодисперсных минеральных наполнителей из основных, кислых горных пород, а также из отходов некоторых производств, так как для всех отечественных пенообразующих ПАВ (ПО-6К, ПО-1, Пеностром, Морпен) заметное влияние на стойкость и структуру пеномассы оказывает удельная поверхность и сорбирующая способность частиц наполнителя (время помола наполнителя выбирается из условия достижения размеров частиц соизмеримых с диаметрами каналов Плато в пеномассе и соблюдение этого требования повышает возможность частичной закупорки каналов истечения жидкости из межпоровых перегородок, а значит, уменьшает скорость разрушения пеномассы); 2) введение в состав органических добавок, эффективно регулирующих реологические свойства поризуемого раствора в процессе изготовления материала (однако для снижения плотности пенобетона до величин 150-250 кг/м³ требуется изменение минералогического состава портландцемента). Особенностью получения пенобетонов низкой плотности является достаточно большое водотвердое (в/т) отношение, приводящее к разрыхлению материала межпоровых перегородок и повышению его усадочных деформаций в процессе твердения. Для уменьшения содержания в материале химически несвязанной воды можно использовать пластифицирующие добавки. В случае укладки восокопоризованного пенобетона в стеновые конструкции, которые изготовлены из материалов, сильно всасывающих воду (кирпич плотностью менее 1800 кг/м³, блоки из автоклавного ячеистого бетона, деревянные конструкции), рекомендуется предварительно обработать поверхность последних специальными гидрофобизирующими составами. Возможно регулирование требуемого среднего размера пор в интервале от 0,6 мм до 6 мм путем изменения содержания модифицирующих добавок и в/т отношения. Пенобетон можно выполнять [123] на основе модифицированного цементного и гипсоцементнопуццоланового вяжущего, а в качестве наполнителя - местное сырье, например диатомит, тонкомолотый известях (с удельной поверхностью не менее 4000 см²/г), а также трубчатые отходы сельскохозяйственного производства.

Создание пористой структуры в бетоне может происходить [124] за счет введения в цементно-песчанную массу пены, полученной при помощи пенообразователей (пенобетон) или за счет процесса газообразования при введении газообразующих добавок, например алюминиевой пудры марки ПАК-3 (газобетон). Для получения пенобетона в нормальных условиях твердения необходимо использовать в качестве вяжущего вещества портландцементы, с активностью не менее 350-450 кгс/см². Автоклавная обработка позволяет часть портландцемента заменить мелкодисперсными кремнеземнистыми материалами (маршаллит, зола - уноса ТЭЦ и др.).

Для поризации требуется достаточно подвижная цементно-песочная масса, так как иначе поризованая смесь будет неоднородной. Поэтому величина водовяжущего отношения определяется из условия обеспечения минимально необходимой текучести массы, обеспечивающей хорошее заполнение форм. Для осуществления формовки изделий заливкой требуется, чтобы вспененная масса начала свободно стекать с металлического плоского лотка при угле наклона в 30°.

Для приготовления вспененной поризованной массы используют растворомешалки типа С-208, С-209, а также пенобетономешалки типа Л-315 и СМ-578. Пена изготавливается в лопастных пеновзбивателях со скоростью вращения вала 240-250 об/мин. Вначале в течение 2-3 мин производится перемешивание смеси цемента, песка и воды, а затем в смесь вводится пена. Продолжительность перемешивания раствора с пеной 1,5-2 мин. Количество вводимой пены контролируется путем определения объемного веса.

Основными сырьевыми компонентами для приготовления неавтоклавного пенобетона служат [125] цемент марки не менее М 400, так как при этих условиях достигается необходимая устойчивость ячеистой массы, кварцевый песок и пенообразователь. В качестве заполнителя используют карбонатные пески, золошлаковые отходы. Легковесные и высокопрочные изделия из пенобетона (плотностью 120-400 кг/м³), называемые силопором могут заменить существующие ТИ и стеновые материалы. Элементы, изготавливаемые из пенобетона, по своим эксплуотационным показателям в значительной степени приближаются к показателям дерева, т.е. микроклимат в доме из ячеистого пенобетона становится весьма близким к микроклимату деревянного дома. Причем стоимость изделий из пенобетона в 1,5 - 2 раза ниже, чем из газобетона.

Для приготовления пенобетона применяют [125] установки с пеногенератором, служащим для приготовления пены и пенобетоносмесителем, предназначенным для перемешивания цементно-песчанного раствора с пеной. Также возможно приготовление пенобетонов в высокоскоростных смесителях принудительного действия турбулентного типа. Технологическая схема установки для производства изделий из пенобетона неавтоклавного твердения включает (рис. 20, а) линии подачи компонентов смеси и смесительное оборудование.

Технические характеристики установки при изготовлении стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов по ГОСТ 21520-89: размеры блоков - 400х200х200 мм; марка бетона - В 7,5 Д 900; прочность на сжатие - 100 МПа; объемная плотность - 900 кг/м³; масса изделия - 14,4 кг; мощность установленного оборудования - 91 КВт (при часовой производительности 12 м³/ч). В процессе изготовления изделий из пенобетона песок со склада ленточным конвейером 1 (рис. 20) транспортируется на грохот 2, где происходит сортировка песка на фракции (не более 2,5 мм), и далее ленточным конвейером подается в промежуточный бункер песка 3, откуда через секторный затвор 4 песок загружается в ковш скипового подъемника 5. При помощи лебедки 6 ковш 5 поднимается по направляющим и автоматически разгружается в расходный бункер песка 7. При помощи ленточного питателя 8 песок загружается в весовой дозатор песка 12. Цемент из силосных банок при помощи пневмовинтового загружателя (насоса) 15 подается в цементовод 16, который подключен к сети сжатого воздуха 24. Цемент в потоке воздуха подается в циклон 17, где происходит закрутка, а загрязненный воздух очищается на фильтре 18. Из циклона цемент попадает в расходный бункер цемента 9; винтовым питателем 10 цемент подается в весовой дозатор цемента 11. Из емкости 19 насос-дозатором 20 концентрированные (30%) добавки дозируются в расходной емкости 22 и туда же добавляется вода.

Рис. 20. Технологическая схема установки для производства изделий из пенобетона неавтоклавного твердения (а), конструкции пенобетоносмесителя (б) и его перемешивающего ротора (в)

Приготовленный раствор добавок насосом-дозатором прокачивается через пеногенератор 23, который подключен к сети сжатого воздуха. Во время прокачки раствора добавок через пеногенератор происходит образование устойчивой пены, которая под действием сжатого воздуха подается в смеситель 25. Загрузка компонентов происходит в течение 60 с, затем включается двигатель и в течение 40 с происходит перемешивание компонентов. Готовая пенобетонная смесь в течение 20 с выгружается в емкость для пенобетона 26. Растворонасосом 27 пенобетонная смесь загружается в форму 28, которая после чистки и смазки на тележке подается на пост формирования. Заполненная пенобетонной смесью форма на тележке поступает на пост естественного твердения или в пропарочную камеру, где происходит тепловлажностная обработка. Затем тележка с формой подается на пост распалубки. Формы чистятся, смазываются и вновь отправляются на пост формирования. В технологической схеме используется пенобетоносмеситель (рис. 20, б), относящийся к смесителям циклического принудительного действия турбулентного типа и имеющий следующие технические характеристики: объем готового замеса - 400 л; объем пенобетоносмесителя по загрузке - 500 л; частота вращения лопастей ротора - 7 Гц; мощность электродвигателя - 30 кВт; частота вращения - 1470 об/мин; максимальная крупность заполнителя - 2,5 мм. Нижняя часть смесительной емкости выполнена в виде усеченного конуса с расположением боковых граней под углом 45° к горизонтали, что повышает интенсивность движения смеси снизу вверх во время перемешивания, а также исключает «глухие зоны», т.е. места в смесительной емкости, где не происходит интенсивное перемешивание смеси. Передача вращения с вала двигателя на вал смесителя происходит шестью узкими клиновидными ремнями (сечение УА, длина 2500 мм) с регулированием натяжным винтом. Перемешивающий орган выполнен в виде ротора (рис. 20, в) с тремя рабочими лопастями, расположенными под углом 120° друг к другу. Каждая лопасть крепится под углом 45° к ротору. Максимальный радиус вращения лопастей 460 мм, что при частоте вращения 420 мин-¹ позволяет создать в чаше интенсивное турбулентное движение смеси и увеличить интенсивность перемешивания, повысить однородность расположения пор и необходимой плотности пенобетона. По безавтоклавной технологии металлоемкость форм составляет 1,4 т на 1 м³ пенобетона.

Существует несколько технологических решений в производстве пенобетона: 1) традиционная технология, основанная на перемешивании исходного раствора с пеной заданной кратности (ВНИИ Стром, АО Содружество, Neopor); 2) баротехнология, предусматривающая приготовление пеномассы под давлением (Строминноцентр); 3) технология, предусматривающая воздухововлечение при турбулентно-кавитационном способе перемешивания компонентов (ЗАО Фибробетон).

Технология МГСУ получения пенобетона основана на методе сухой минерализации пены предусматривающем следующие операции: приготовление раствора ПАВ, получение пены заданной кратности из готового раствора, минерализацию пены сухими компонентами (смесь вяжущего и заполнителя), транспортировку готовой пеномассы к месту заливки. Причем готовят низкократную пену и постепенно засыпают в нее сухой цемент и песок (золу).

Технология пенобетона сухой минерализации включает следующие операции:

- приготовление из высококонцентрированного пенообразователя водного раствора заданной концентрации;

- подача раствора пенообразователя в пеногенератор и непрерывное образование пены кратностью 4-6;

- непрерывное дозирование сухого цемента, заполнителя и пены в смеситель-минерализатор, из которого готовая пенобетонная смесь с заданными значениями плотности поступает для заливки форм или опалубки;

- заливка пенобетонной массы в накопители для последующего перекачивания в формы.

Продолжительность всего цикла приготовления и заливки пенобетонной массы - 5-15 мин. Твердение массы происходит при нормальной температуре (10-25°С) или для ускорения твердения - при повышенной температуре (70-85°С).

Традиционная технология производства пенобетонов базируется на раздельном приготовлении высокократной пены (коэффициент кратности 12-20) и высокоподвижных цементно-песчанных растворов (подвижность по Сутторду 22-24 см) и последующим их смешении в третьем смесителе до образования пенобетонной массы. Однако, в процессе смешивания значительный объем пены гасится, что затрудняет получение бетонов низкой плотности. Для компенсации объема гашения пены используют повышенные дозировки пенообразователей, что удорожает и замедляет сроки гидратации вяжущего и омоноличивания пенобетона. Снижает объем гашения пены также повышение подвижности цементного раствора за счет увеличения водоцементного отношения, но одновременно ухудшается прочность изделий.

Технология «сухой минерализации» предполагает [126] минерализацию вяжущим низкократной пены (кратность 3-6). Такие пены отличаются низкой концентрацией ПАВ и толстыми водными прослойками между воздушными пузырьками. При совмещении сухого порошка вяжущего с «чистой» пеной в процессе перемешивания заданной интенсивности первые порции твердой фазы уходят на бронирование пузырьков, что резко повышает их устойчивость и предотвращает коалесценцию. Такая схема формирования пенобетонной массы обеспечивает ей высокую устойчивость. Низкие концентрации пенообразователя и воды затворения способствуют быстрому структурообразованию и интенсивному росту прочности. Для производства такого пенобетона используют в качестве пенообразователя окись амина при расходе 0,3-0,45 л/м³. Технологическая схема включает: блок приготовления раствора пенообразователя заданной концентрации; насосы-дозаторы пенообразователя, пеногенераторы различных систем; дозаторы вяжущего и кремнеземистого компонента; смеситель-минерализатор для получения пенобетонной массы.

В технологии пенобетона сложным и трудно управляемым процессом является процесс перемешивания пены с исходной растворной смесью. В этот момент происходит разрушение пены с потерей от 15 до 30% объема в зависимости от вида пенообразователя и цемента. В результате создаются условия, отрицательно влияющие на однородность пенобетона по средней плотности и прочности [126]. Одной из причин разрушения пены является существенная разница значений средних плотностей перемешиваемых растворной смеси и пены, отличающихся друг от друга в 20-25 раз. Причем разрушение пены происходит в основном на границе раздела между системами: исходная смесь - пена и атмосферный воздух. Поэтому в технологии непрерывного приготовления пены и пенобетонной смеси под давлением [127], предусматривается смешение пены с исходной смесью в агрегате объемом 6 л при полном отсутствии объемов свободного воздуха. Схема переработки всех компонентов пенобетонной смеси в условиях закрытой системы включает (рис. 21): 1 - компрессор; 2 - водянной насос; 3 - пеногенератор; 4 - растворонасос; 5 - стержневой смеситель. При этом высокоскоростной стержневой смеситель обеспечивает реализацию процесса перемешивания пены с исходной растворной смесью за время не более 10 с, что благотворно сказывается на качестве пенобетонной смеси. Конструкция пеногенератора позволяет получать мелкодисперсперсные пены на любых пенообразователях. Условия закрытой системы обеспечивают пенобетонную смесь с высокой степенью однородности по средней плотности практически без потерь объема пены.

Рис. 21. Схема приготовления пены и пенобетонной смеси в условиях закрытой системы

В баротехнологии производства пенобетона процесс перемешивания технологической пены с вяжущем и заполнителем осуществляется [128] в герметичном смесителе, допускающем создание внутри смесителя избыточного давления (компрессором). При этом пенобетонная смесь после перемешивания подвергается воздействию давления. Растворопровод на выходе оборудован эжектором, сокращающим плотность пенобетонной смеси. Для снижения усадки в состав смеси вводят высокоалюминатные и сульфоалюминатные добавки (например, 6-10% глиноземистого цемента от основного цемента).

Для получения пенобетонных строительных растворов (заявка 2392791 Франция, В28С 5/38, С04В 21/10, опубл. 2. 02. 1979) воздух вдувают под давлением в заданном количестве в раствор, одновременно перемешивая его в камере, также находящейся под давлением.

Для изготовления ТИ неавтоклавных пенобетонов в качестве минерального вяжущего используют портландцемент марок 400 и 500 с удельной поверхностью частиц 2500-3000 см²/г. В ряде случаев целесообразно введение до 10% извести и ускорителей твердения, а также домол цемента до удельной поверхности 3000-4000 см²/г и водная активация части цемента. Быстротвердеющие цементы (БТЦ) используется только марок 400 и 500. Свойства БТЦ можно придать и обычному портландцементу путем домола его части (20%) с последующим смешиванием домолотой и недомолотой частей или смешиванием цементов двух гранулометрических составов. Шлакопортландцемент марок 300, 400 и 500 целесообразно применять для изделий, подвергаемых тепловлажностной обработке. Пластифицированный и гидрофобный портландцемент марок 400 и 500 повышает подвижность бетонной смеси, прочность и морозостойкость бетона. Известь, применяемая как самостоятельное вяжущее или добавка к портландцементу, должна быть хорошо обожжена, однородна, не содержать крупных непогасившихся частиц, соответствовать ГОСТ 9179-70 и иметь удельную поверхность 4500-5000 см²/г. В состав пенобетонов вводят заполнители для уменьшения влажностной усадки, повышения термостойкости. Например используют немолотый песок с дисперсностью 30-190 см²/г или молотый - с 600-800 см²/г. В качестве добавок, ускоряющих твердение цемента, используются: раствор кальцинированной соды Na₂CO₃, 1%-й раствор сернокислого натрия - Na₂SO₄; раствор формиата кальция или муравьинокислого кальция - Ca(HCOO)₂; хлористый кальций CaCl₂ и другие. Для вспенивания применяют клееканифольный, смолосапониновый пенообразователи, а также ГК (гидролизную кровь) и ПБ - 10%-ный водный раствор пластификатора древесно-пекового строительного и сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ), взятых в соотношении 1:3. Выход пены, полученной из этих пенообразователей, должен составлять не менее 15 л на 1 кг пенообразователя, а коэффициент использования 0,8.

Определенные трудности при производстве пенобетонов низкой плотности представляют усадки, которые для марки Д400 составляют 5-8 мм/м. Значительные усадки, как правило, связаны с ограниченным содержанием воды затворения (не более 150 л/м³), развитой удельной поверхностью вяжущего и длительностью набора прочности. Нередко значительные усадки приводят к появлению трещин. Поэтому получение качественных пенобетонов низкой плотности представляет значительные трудности, требующие тщательного подбора сырьевых компонентов и выдерживание технологических параметров. В этом случае такие показатели как < 0,1 Вт/(м°C) являются скорее величиной желаемой, чем реально достижимой с учетом требований по прочности.

Пенобетон средней плотности Д500, Д600 допускает применение в своем составе рядового песка до 200 кг/м³ при расходе цемента 300-320 кг/м³. Лучше всего, если песок, предназначенный для изготовления пенобетона, подвергается специальной подготовке - промыванию, сушке, удалению вредных примесей, отсеву до модуля крупности не более 1,5 мм. В этом случае пенобетон имеет прочностные показатели в 1,5-2 раза выше, чем пенобетон на непросеянном песке (до 2,5 мм).

Большое значение в производстве пенобетона имеет вид, расход и подготовка ПАВ, которые снижают поверхностное натяжение воды затворения или раствора вяжущего, обеспечивают получение и структурирование пены, способствуют воздухововлечению при получении поризованных масс. Для получения высоких показателей пенобетона необходимо: 1) подбирать ПАВ с учетом pH-среды создаваемой раствором вяжущего вещества; 2) расход ПАВ (особенно для бетонов низких плотностей) необходимо вести с учетом критической концентрации мицеллообразования и минимального расхода ПАВ для получения устойчивой пены; 3) необходимо проверять устойчивость пены и регулировать водопотребность массы путем изменения кратности с учетом ее структурных особенностей - размера ячеек, моно- или поличастотного характера их распределения.

Обладая достаточно высокими показателями по прочности R_сж = 1,5-3,5 МПа пенобетоны Д500-Д800 могут обеспечить термическое сопротивление 3,1 м*К / Вт только при толщине стены не менее 600 мм, что не всегда является приемлемым. Следовательно, пенобетон средней плотности эффективно может быть применен только в сочетании с ТИ материалами. Материалы со средней плотностью более 900 кг/м³ могут быть отнесены к пенобетонам лишь условно. При расходе цемента свыше 500 кг/м³ структура пенобетона уплотняется, повышаются прочностные показатели, = 0,3-0,4 Вт/(м°С) и выше, при этом большие затраты на материалы значительно повышают стоимость продукции.

Технология и оборудование для производства пенобетонных блоков, разработанная во ВНИИстром [129], включает (рис. 22): 1 - приемный бункер песка; 2 - питатель ленточный; 3 - конвейер ленточный; 4 - склад цемента; 5 - дозатор цемента; 6 - смеситель стержневой; 7 - конвейер ленточный; 8 - элеватор; 9 - питатель ленточный; 10 - пенобетоносмеситель; 11 - пеногенератор; 12 - емкость воды затворения; 13 - емкость раствора пенообразователя; 14 - формовочный конвейер; 15 - автомат-укладчик; 16 - склад готовой продукции.

Исходные сырьевые материалы (цемент, песок или шлак, зола, золошлаковая смесь) в заданном соотношении подвергаются механо-химической активации в стержневом смесителе и подаются в пенобетоносмеситель. Раствор пенообразователя из бака постоянного уровня непрерывно поступает в пеногенератор, где смешивается с воздухом и интенсивно обрабатывается до получения тонкодисперсной пены с кратностью 10-15 и устойчивостью до 40 мин, которая затем непрерывно подается в пенобетоносмеситель. Активированная смесь цемента и заполнителя, пена и вода перемешиваются в пенобетоносмесителе до получения однородной мелкопористой формовочной массы, которая непрерывно поступает в приемное устройство узла формирования. Под действием вибрации масса заполняет неразъемные спаренные формы, из которых состоит формовочный конвейер. После заполнения и калибровки верхней поверхности блоков форма передвигается с помощью гидравлической системы по направляющим конвейера. Пакеты блоков устанавливаются на отапливаемом складе, где выдерживаются 3-5 сут до приобретения отгрузочной прочности. Для ускорения времени выдержки пакеты блоков могут быть подвергнуты пропариванию.

Рис. 22. Схема технологического оборудования для производства пенобетонных блоков

В способе приготовления пенобетона (пат. 2173675 Россия, СО4В 38/10, опубл. 22. 03. 1999), включающем обработку сухой смеси вяжущего и наполнителя, подготовку пены, последовательное смешивание сухой смеси с водой и пеной в проточном смесителе, для повышения качества пенобетона сухую смесь обрабатывают при энергозатратах 10-30 КДж/кг до достижения удельной поверхности смеси 500-3000 см²/г, пену подготавливают путем введения в пенообразователь вяжущего с удельной поверхностью 500-5000 см²/г в количестве 0,1-5,0% от ее массы с последующей обработкой в центробежном агрегате до получения пузырей размером 1-500 мкм. Данный способ позволяет получать пенобетоны из пены с чрезвычайно микроскопическими порами и высокой кратностью.