Пенобетон с компенсированной усадкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ПЕНОБЕТОН С КОМПЕНСИРОВАННОЙ УСАДКОЙ

Иващенко Юрий Григорьевич¹, Страхов Александр Владимирович², Багапова Диана Юрьевна³

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов, профессор кафедры «Строительные материалы и технологии», e-mail:strachov83@mail.ru¹

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии», e-mail:strachov83@mail.ru²

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов, ассистент кафедры «Строительные материалы и технологии», e-mail:ldiana87@mail.ru³

УДК 691.327.333

Аннотация. Основными проблемами изделий на основе пенобетона является низкая прочность и появление усадочных деформаций как в первые дни созревания цементного камня, так и на протяжении всего срока службы. В статье рассмотрены вопросы применения волокнистого целлюлозного наполнителя на основе макулатуры с целью снижения усадочных деформаций и повышения прочностных характеристик цементного пенобетона. Установлена зависимость физико-механических характеристик пенобетона от способа введения армирующего наполнителя.

Ключевые слова: пенобетон, контракционная усадка, фиброволокно, армирующий наполнитель, волокнистый целлюлозный наполнитель.

деформация пенобетон армирующий наполнитель

Разработка, производство и применение эффективных конструкционно-теплоизоляционных материалов, отвечающих современным требованиям актуальная проблема на сегодняшний день. Одним из таких эффективных материалов является цементный неавтоклавный пенобетон.

Основными проблемами изделий на основе пенобетона является низкая прочность и появление усадочных деформаций, как в первые дни созревания цементного камня, так и на протяжении всего срока службы.

Усадка бетона вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Суммарная величина деформаций усадки складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существенное значение имеют влажностная, контракционная и карбонизационная деформации, названные так по виду определяющего фактора. [1]

Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и не столько изменяет внешние размеры образца, сколько способствует изменениям в поровой структуре материала: уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры Обычно эта усадка развивается в период затвердения бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается заметным растрескиванием материала Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидроксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.[1]

Снижения контракционной усадки и повышения физико-механических характеристик пенобетона можно добиться с помощью введения в состав пенобетонной смеси армирующих наполнителей. В качестве таких наполнителей может выступать фиброволокно природного и техногенного происхождения. Введение фиброволокна является недорогим способом альтернативного армирования. [2-4]

Фиброволокно для пенобетона представляет собой совокупность волокон разной длины, которые равномерно распределяясь в пенобетонной смеси во время ее приготовления, создают пространственный армирующий каркас, в результате чего предотвращается возможность появления усадочных трещин затвердевшего пенобетона при возникновении внутренних напряжений.

Характеристики и природа происхождения армирующего наполнителя напрямую влияет на изменение прочностных характеристик пенобетона. На сегодняшний день на рынке представлен ряд видов волокнистого наполнителя. В таблице 1 приведены физико-механические характеристики различных видов фиброволокна.

Существуют разработки по применению волокнистого наполнителя растительного происхождения в виде древесного опила или древесного волокна. [5-7], однако древесный наполнитель содержит большое количество гидроксильных групп (полисахариды), что приводит к замедлению процесса твердения и роста кристаллов цементного камня. Поэтому требуется принятие мер по нейтрализации полисахаридов, что значительно затрудняет технологический процесс применения наполнителя в чистом виде.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики различных видов фиброволокна

На сегодняшний день наибольшее распространение для упрочнения пенобетонных изделий, а также снижения контракционнойуадки получили синтетические (полимерные) волокна, которые обладают длиной от 5 мм до 20 мм. Недостатком введения указанных волокон в пенобетонную смесь является возможность нарушения структуры межпоровых перегородок, тем самым оказывая отрицательный эффект на физико-механические характеристики пенобетона [8].

Учитывая толщину межпоровых перегородок в пределах 0,5-0,1 мм, эффективное повышение прочности и снижения усадочных деформаций может быть достигнуто путем применения волокнистого наполнителя с размерами частиц меньшими относительно межпоровых перегородок. К таким наполнителям можно отнести волокнистый целлюлозный наполнитель, изготовленный на основе макулатуры. За счет волокнистой структуры целлюлозный наполнитель позволяет повысить прочностные характеристики и снизить усадку готовых изделий на основе пенобетона. Повышение прочности готовых изделий производится за счет равномерного распределения волокон целлюлозного наполнителя с размером волокон в пределах 10-40 мкм в межпоровых перегородках пенобетона.

За счет очень малой средней плотности целлюлозного наполнителя в пределах 50-70 кг/м³ осуществляется снижение средней плотности и соответственно теплопроводности конструкционно-теплоизоляционного пенобетона.

Для достижения максимально положительного эффекта от применения волокнистого наполнителя на основе макулатуры проведены исследования по способу его изготовления. В качестве сырьевого материала для получения волокнистого наполнителя использовалась макулатура марок МС 8-11В отвечающая требованиям ГОСТ 10700-97 [9].

Измельчение макулатуры производилось несколькими способами: сухой помол в ножевой мельнице «РМ-120», сухой и мокрый помол в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4». Измельчение производилось по одинаковым режимам в течение 15 минут, размеры частиц загружаемого сырья составляли 5-15Ч10-70 мм и толщиной 0,3-2,5 мм. Результаты исследований дисперсности полученного волокнистого наполнителя на основе макулатуры представлены на рисунках 1-3.

Рисунок 1 - Гранулометрический состав, целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного по сухому способу в ножевой мельнице «РМ-120»

Рисунок 2 - Гранулометрический состав, целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного по сухому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4»

Рисунок 3 - Гранулометрический состав, целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного по мокрому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4»

Из анализа, представленных данных видно, что средний размер частиц целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного 1) по сухому способу в ножевой мельнице «РМ-120» составляет 44 мкм (диапазон размера частиц от 0,8 до 120 мкм); 2) по сухому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4» составляет 48 мкм (диапазон размера частиц от 7 до 265 мкм); 3) по мокрому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4» составляет 18 мкм (диапазон размера частиц от 0,5 до 100 мкм). Таким образом, наиболее эффективным способом получения волокнистого наполнителя на основе макулатуры является мокрый способ измельчения в шаровой планетарной мельнице в течение 15 минут.

Для оценки влияния введения разработанного волокнистого наполнителя на формирование физико-механических характеристик конструкционно-теплоизоляционного пенобетона производились исследования по концентрации наполнителя в пенобетонной смеси и способу его введения в смесь.

Для составления композиции использованы следующие исходные материалы: в качестве основного вяжущего портландцемент марки ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108-2003, в соответствие с требованиями ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия» производства ОАО «Холсим (Рус)» (Россия); белковый пенообразователь «GreenFroth P» производства фирмы «Laston» SPA, в соответствие с требованиями ASTM 869-80 (Италия); вода водопроводная по ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия», технический углерод - твердый углеродистый порошок с размерами частиц в пределах 10^-3-10^-6 мм, полученный в результате пиролиза резинотехнических изделий производства фирмы ООО «Элитар» Саратовской области. В качестве эффективного наполнителя использовался волокнистый целлюлозный наполнитель, полученный в результате мокрого измельчения макулатуры марок МС 8-11В по ГОСТ 10700-97 «Макулатура бумажная и картонная. Технические условия» в водной суспензии с добавлением пластификаторов и кремнистого заполнителя, которые позволяют улучшить технологические свойства формуемой смеси.

Для получения пенобетонных образцов вначале приготавливалась пена в течение 3-х минут в пеногенераторе из пенообразователя и воды, взятых в соотношении мас.%: 0,44-0,51 и 18,79-19,21 и вода для получения пены в количестве 19,21%. В результате приготовления пены её объем в 25-30 раз больше объема водного раствора. Цементный раствор готовили отдельно, при этом в портландцемент в количестве 43,65-45,93 мас.% вводили воду для затворения в количестве 14,18-15,91 мас.% смеханоактивированным наполнителем (макулатура, либо макулатура + технический углерод, либо макулатура + технический углерод +песок) 20,66-20,72 мас.%, после чего смесь перемешивают в лопастном смесителе при частоте вращения перемешивающего органа смесителя 80-100 об/мин в течение 3-х минут до получения однородной пластичной массы. Затем в полученный раствор подают приготовленную пену с последующим перемешиванием компонентов до получения однородной смеси при частоте вращения перемешивающего органа смесителя 60 об/мин. Полученную смесь укладывали в заранее подготовленные и смазанные формы и выдерживают не менее 12 часов при температуре не ниже 18°C при естественных условиях твердения до набора распалубочной прочности 0,5-1,1 МПа, либо при пропаривании в камере ТВО в течение 8 часов до набора 70-ти процентной прочности от марочной прочности.

При способе сухой минерализации механоактивированный наполнитель, измельченный в ножевой или планетарной мельнице по сухому способу, вводили в смесь после смешивания цементно-песчаного и приготовленной пены.

Испытания пенобетонных образцов с размерами 100Ч100Ч100 мм производились в соответствие с требованиями нормативных документов: средняя плотность по ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Методы определения плотности», прочность при сжатии по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», теплопроводность по ГОСТ 7076-87 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме». Результаты испытаний пенобетонных образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические характеристики пенобетонных образцов

В результате проведений исследований по способу введения волокнистого наполнителя в пенобетонную смесь установилась следующая зависимость:

1. При использовании способа сухой минерализации - при введении волокнистого наполнителя измельченного по сухому способу происходит резкое разрушение (падение) пенобетонной смеси с образованием неравномерной структуры пенобетона, а также с повышением средней плотности пенобетонного массива до 740-780 кг/м³. За счет образования неравномерной структуры происходит резкое снижение прочностных характеристик пенобетона с максимальной прочностью при сжатии не более 1,2 МПа, что является неудовлетворительным результатом.

2. При введении подготовленного волокнистого наполнителя в пенобетонную смесь вместе с водой затворения цементно-песчаного раствора характер формирования структуры резко меняется в положительную сторону, а именно происходит равномерное распределение волокнистого наполнителя по всему объёму пенобетона. Причем, наиболее эффективным способом является совместнаямеханоактивация макулатуры с песком и техническим углеродом, что приводит к появлению более мелких частиц в составе наполнителя, которые распределяясь в межпоровых перегородках пенобетона формируют прочный скелет композита с достижением прочности при сжатии в интервале 2,65 - 3,25 МПа, что является полным соответствием поставленным задачам. Дополнительным положительным эффектом от применения волокнистого наполнителя на основе макулатуры является снижение коэффициента теплопроводности до 0,1-0,14 Вт/(мЧК) и средней плотности до 515-540 кг/м³ без потери прочностных и геометрических характеристик пенобетона.

Из анализа полученных данных, указанных в таблице 2 видно, что наиболее оптимальным способом подготовки и введения механоактивированного волокнистого наполнителя на основе макулатуры, является способ мокрого совместного помола в шаровой планетарной мельнице макулатуры, песка и технического углерода в течение 15 минут и введение его вместе с водой затворения при приготовлении цементно-песчаного раствора.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Баженов Ю. М.Технология бетона: Учеб.пособие для технол. спец. строит, вузов. 2-е изд., перераб. -- М.: Высш. шк., 1987,-415 с: ил.

2. Дворкин Л.И. др. Практическоебетоноведение в вопросах и ответах: Справочное пособие/ Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин, О.М. Бордюженко, Ю.В. Гарницкий, В.В. Житковский; Под.ред. Л.И. Дворкина. - СПб: ООО «Строй-бетон», 2008. - 328 с.

3. Laukaitis A. Influence of technological factors on porous concrete formation mixture and product properties / Summary of the research report presented for habilitation // Kaunas University of Technology, 1999. 70 c.

4. XinLuo, Wei Sun, Sammy Yin Nin Chan, Effect of heating and cooling regimes on residual strength and microstructure of normal strength and high-performance concrete, Journal of Cement and Concrete Research, Vol. 30, (2000), 379 - 383.

5. «Производство и применение арболита» Под ред. Хаздана С.М. Москва, «Лесная промышленность», 1981, с.52-58

6. Патент РФ № 2376259 от 20.12.2009 «КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОВЕСНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА»

7. Патент РФ № 2415111 от 21.10.2009 «КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ПЕНОБЕТОНА»

8. Коренькова С.Ф., Сухов В.Ю., Веревкин O.A. Теоретические основы производства двухслойных конструкций с использованием пенобетона // Технологии, материалы, конструкции в строительстве. Самара, 2000. -№4 - С. 40-48.

9. ГОСТ 10700-97 «Макулатура бумажная и картонная. Технические условия»

Размещено на Allbest.ru