Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология и свойства пенобетона с учетом природы вводимой пены

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определена необходимостью получения теплозащитных материалов для строительства, отличающихся пониженным коэффициентом теплопроводности и одновременным решением экологических задач, связанных с экономией топлива и природных ресурсов, а также национальным проектом «Комфортное и доступное жилье России». В этой связи пеноматериалы на неорганической матрице оказываются одними из перспективных по своим механо- и теплофизическим характеристикам. C конца 90-х годов XX века интерес к этим материалам, так же как и оценка их технических возможностей, постоянно возрастают. Отличительной особенностью в пеноматериалах обладает именно пена, которая оказывает принципиальное воздействие на технологические переделы получения, а также свойства пеноматериала. На момент постановки работы не существовало последовательной системы взглядов влияния природы пены на технологические особенности получения и свойства ячеистых материалов. В представленной работе предлагается понимание именно этих вопросов.

Цель работы состояла в определении особенностей и разработке технологий получения пенобетонов с учетом природы вводимой пены. Для достижения поставленной цели при проведении исследований решались следующие задачи:

1) определение основных критериев управления процессами пенообразования строительной пены с учетом ее природы и возможностей прогнозирования технологий получения, а также свойств пеноматериалов;

2) разработка технологии получения пенобетона при разных температурных режимах твердения, включая пониженные, отрицательные и автоклавные;

3) исследование свойств полученных при разных режимах твердения пенобетонов и внедрение технологии в промышленность.

На защиту выносятся: - классификация строительной пены с учетом ее природы и особенностей технологий получения пеноматериалов с заданными свойствами; - особенности технологий получения пенобетонов при разных режимах твердения и температурах; - свойства полученных по разным технологиям материалов и внедрение технологий в промышленность производства материалов для строительства в разных регионах России.

Научная новизна

1. Впервые разработаны основные положения прогнозирования свойств и технологий получения пенобетона с учетом природы строительной пены. Впервые произведена классификация строительной пены, показано, что по природе ПАВ, признаку молекулярных масс, длине углеводородной цепи пенообразующего вещества, а также значению рН пенообразования возможно управлять режимами твердения пеноматериалов на вяжущей основе. Результатом такого рассмотрения было выявление технологических особенностей получения и разработка автоклавной резательной технологии, а также твердение в условиях пониженных и отрицательных температур и нормального твердения. Впервые предложена методика определения рациональной концентрации пенообразующего раствора, при которой достигается максимальная устойчивость пены.

2.Показано, что для автоклавной резательной технологии получения пенобетона целесообразно использование пены с пониженной молекулярной массой и соответственно пониженной структурной вязкостью пены. Впервые разработаны технологические основы получения автоклавного пенобетона по резательной технологии; созданы отечественные резательный и делительный комплексы для этой технологии, исследованы особенности достижения резательной прочности композиционной пенобетонной смеси. Разработана технология получения золопенобетона с использованием золы от сжигания осадков сточных вод. С помощью метода адсорбции индикаторов (метода РЦА) обнаружено, что автоклавный пенобетон обладает адсорбционной способностью по ионам тяжелых металлов, что делает его экозащитным.

3. Впервые определена возможность укладки монолитных пенобетонов при пониженных и отрицательных температурах в зависимости от природы пены, причем более высокая молекулярная масса и число атомов углерода в цепи в общем обеспечивает устойчивость при нагревании до более высоких температур; что делает возможным использование традиционных методов зимнего бетонирования, включая метод «термоса» с предварительным подогревом пенобетонной смеси и электропрогрев греющими проводами. Впервые исследована возможность применения бесконтактного электропрогрева монолитного пенобетона для ускорения твердения при отрицательных температурах, определены предельные температуры, при которых сохраняется устойчивость пены в зависимости от молекулярной массы и числа атомов углерода в углеводородном радикале. Показано, что метод «термоса» и электропрогрев допускают наиболее высокий подогрев укладываемой пенобетонной смеси при использовании клееканифольных и синтетических пенообразователей, имеющих высокие молекулярные массы и повышенные значения n. Установлена совместимость известных противоморозных добавок и пенообразователей, причем, объяснение дано с точки зрения природы пенообразователей и противоморозных добавок.

4. Для нормальных и тепловлажностных условий твердения создана новая пенообразующая добавка на комплексной основе «Комплекс-1», базирующаяся на классификационных признаках и содержащая соли высших жирных кислот, обладающая способностью повышать гидратационную активность цемента, за счет дополнительного связывания ионов кальция в труднорастворимые соли жирных кислот. Показано, что пенообразующие добавки типа «Комплекс-1» позволяют получать пено- и поробетоны средней плотности 400...1600 кг/м³. Обнаружена взаимосвязь механо- и теплофизических свойств бетона средней плотности 1600 кг/м³ и параметров приготовления бетонной смеси.

Практическая ценность работы

1. С учетом представлений об особенностях природы строительных пен и составляющих композиционной смеси разработаны технологии получения пенобетонов - резательная автоклавная, ускоренного твердения при пониженных, отрицательных, а также нормальных температурах и определены основные свойства получаемых пеноматериалов.

2. Разработана резательная технология получения автоклавного пенобетона на основе протеиновых пенообразователей средней плотностью 400…600 кг/м³, найдены основные параметры резательной технологии получения автоклавного пенобетона, выявлены зависимости параметров от температуры, времени выдержки массива, соотношения компонентов, исходного количества воды затворения. Полученный автоклавный пенобетон при средней плотности 400-500-600 кг/м³ характеризуется физико-техническими свойствами, соответствующими требованиям ГОСТ 25485, а также меньшей теплопроводностью и сорбционной влажностью. По разработанной технологии произведен опытно-промышленный и промышленный выпуск автоклавного пенобетона на линиях различной мощности в разных регионах России: Опытной базе ПГУПС в г. Санкт-Петербурге (2002 г.), Кореневском заводе в Московской области (2003 г.), Заводе по производству автоклавного пенобетона в г. Орле, (2006 г.), предложено использование в качестве части сырьевого компонента (песка) золы от сжигания осадка сточных вод; выпущены опытные партии автоклавного золопенобетона на Опытной базе ПГУПС.

3. Предложена рекомендация ведения работ с монолитным пенобетоном, укладываемым методом «термоса» при наружных температурах до минус 10 °С, которая учитывает время остывания, конструкцию утепления и плотность пенобетона. Показано, что использование противоморозных добавок позволяет вести укладку пенобетона при температуре наружного воздуха до минус 20 °С, при этом в начальной стадии набора прочности в присутствии добавок обнаружено ускорение твердения. Уточнена методика расчета параметров электропрогрева греющими проводами для укладки монолитного пенобетона с учетом природы вводимых пен при отрицательных температурах до - 20 °С. Предлагаемые технологии ускорения твердения монолитного пенобетона в условиях пониженных температур опробованы в строительстве при: теплоизоляции кровли (СПб., ул. Седова, д. 19, 2002 г.), теплоизоляции основания пола по грунту (СПб., Коломяги, к.16, 2003 г.), устройстве выравнивающих стяжек по ж/б перекрытиям (СПб., ул. М. Самсоньевская, д. 15, 2002 г.).

4. Разработана пенообразующая добавка «Комплекс-1», позволяющая получать пенобетон естественного твердения с большим диапазоном средних плотностей, что соответственно предопределяет его использование. Разработана технология использования пенообразователя «Комплекс-1» при монолитном бетонировании; показано, что бетоны на пенообразователе «Комплекс-1» обладают физико-техническими характеристиками, соответствующими требованиям ГОСТов 21520-89, 25484-89. Опытно-промышленная партия пенобетона на пенообразователе «Комплекс-1» опробована, при строительстве коттеджного комплекса в 2001 году (СПб., ул. Эстонская, д. 1).

5. Новизна разработок подтверждена 14 патентами и 11 ТУ России, материалы диссертации используются при создании пенобетонных производств в различных регионах России, а также в учебном практикуме по строительным специальностям.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов физико-химического, рентгенофазового, дифференциально-термического, калориметрического анализов, хорошей сходимостью при проведении статистической обработки экспериментальных данных, а также практическими результатами, полученными в лабораторных и промышленных условиях, и промышленном внедрении полученных результатов.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном конгрессе по новым технологиям бетона (Шотландия, г. Данди 1999, 2002 гг.); на 15-й и 16-й Международных конференциях «Ibausil» (Веймар, (2003, 2006 гг.), на Международной конференции «Construction Demolition waste” (Кингстон, 2004 г.); на 1-й Международной конференции «Пенобетоны III тысячелетия. Тепло России» (СПб., ПГУПС, 1999 г.); на Международной конференции «Высшее профессиональное заочное образование на железнодорожном транспорте: настоящее и будущее» (Москва, 2001 г.); на II Международной научно-практической конференции Композит-2001 и «Защитные композиционные материалы и технологии третьего тысячелетия» (СПб., 2001 г.); на II Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в III тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2002 г.); на II и III научно-технических конференциях СПбГТИ (ТУ), посвященных памяти М. М. Сычева (1999, 2000 гг.), на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии и технические средства на Октябрьской железной дороге» (СПб., 1999 г.), на Международной научно-практической конференции «Строительные материалы 21-го века» (Алма-Ата, 2001 г.); на V и VI Всероссийских конференциях по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПбГТУ, 2002, 2003 гг.); на III Всероссийской научно-практической конференции «Экология, ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза, 2003 г.); на 59 и 60 научно-технических конференциях ПГУПС с участием студентов, аспирантов и молодых ученых (1998, 1999 гг.).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 52 научных труда, в том числе 2 книги в издательствах Стройиздат и ПГУПС; 6 публикаций в трудах международных конгрессов Шотландии и Германии; 8 статей в отраслевых и научных журналах по списку ВАК России; получено 14 патентов и разработано 11 технических условий.

Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 330 страницах, состоит из введения, 6 глав, общих выводов, включает 65 таблиц и 49 рисунков, содержит библиографический список литературы из 386 наименований, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ работ, учитывающих достижения отечественных (московская, петербургская, белгородская, самарская, магнитогорская, воронежская, пензенская, ростовская и др.) и зарубежных (украинская, немецкая, казахская) научных школ, позволяет сделать один из выводов о том, что основную особенность пенобетонов как ячеистых материалов составляет именно пена, поэтому должна быть взаимосвязь между природой строительной пены и технологическими особенностями получения материалов на ее основе. При такой постановке первым возникает вопрос о классификационных признаках пены. В качестве основы классификации автором были выбраны природа пенообразующих ПАВ, величина молекулярной массы М, г/моль, число атомов углерода в цепи n, а также поверхностное натяжение и концентрация ионов водорода растворов в единицах рН. Все известные пенообразующие добавки, представленные ионными растворами ПАВ, условно были разделены на пять групп (табл. 1).

Анализируя табл. можно отметить, что молекулярная масса является важнейшей характеристикой, определяющей многие свойства пенообразователей (ПО), а именно: поверхностную активность и пенообразующую способность. Как следует из табл. 1, тенденцией к большим молекулярным массам обладают синтетические ПО, представляющие I и II группы, меньшим - на основе гидролизатов белка, относящиеся к V группе.

Для выбора одинаковых условий исследования, при которых достигается максимальная стойкость пены в смеси, предложена методика определения рациональной концентрации, учитывающая нижнюю границу пенообразования. Определение рациональной концентрации исследуемых пенообразователей проводилось на основе полученных экспериментальных данных и с использованием известных зависимостей: уравнений Гиббса:

Г = -(С/RT)(d/dC) и Ленгмюра:

Г = Г_пр К/(1+К_с),

устанавливающих взаимосвязь между поверхностным натяжением у, предельной удельной адсорбцией Г_пр и концентрацией С пенообразующих растворов.

Классификация строительной пены

По предложенной методике были определены рациональные концентрации наиболее применяемых в производстве пенобетона пенообразователей с целью изучения их технологических свойств: плотности пены, интервала рН пенообразования и коэффициента использования пены в растворе (табл. 2). Анализ полученных данных показал, что факторы, обуславливающие поведение строительной пены на различных стадиях технологического процесса, можно разделить по трем основным признакам: механическому, определяющему устойчивость пены в пенобетонной смеси и способность смешиваться с растворной частью; химическому, характеризующемуся возможным взаимодействием пены с цементом и совместимостью ее с различными добавками; температурному, связанному с поведением пены в зависимости от изменения температуры.

Эти положения были использованы в прогнозировании и разработке технологий производства пенобетонов; при этом исходным положением была взаимосвязь влияния природы ПАВ и молекулярных масс на режим получения пеноматериала.

I. Получение автоклавного пенобетона по резательной технологии

Выбор пенообразователя при разработке автоклавной резательной технологии проводился в соответствии с рассмотренной взаимосвязью влияния технологических признаков на температурные режимы получения пенобетона с учетом предложенной классификации строительной пены (табл. 1). Автоклавная технология отличается от технологии твердения при атмосферном давлении тем, что предполагает тонкое измельчение сырьевых компонентов, обеспечивающее большую суммарную поверхность зерен.

Таблица 2. Основные свойства исследуемых пенообразователей

Было сделано предположение, что пены, имеющие более высокую молекулярную массу и соответственно структурную вязкость, труднее смешиваются с растворной частью, содержащей тонкомолотые компоненты, в связи с тем, что процесс образования пенобетонной структуры идет через стадию разрушения старых связей, при этом затрачивается энергия, называемая структурной энергией активации ДG, которая, по Г.И. Чередниченко, связана с вязкостью системы з, уравнением:

, (1)

где ДG - структурная энергия активации; з_о -вязкость при высокой температуре; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Поскольку более высокая молекулярная масса повышает вязкость системы, то в случае повышения удельной поверхности песка, необходимого для автоклавных процессов, повышается энергия активации ДG, вследствие чего не достигается образования новой однородной системы, т.е. группы пенообразователей I и II могут оказаться непригодными для автоклавной технологии получения пенобетона.

Для выяснения такого рода особенностей автором оценивалось влияние дисперсности твердой фазы и природы пены на эффективность перемешивания. Оценка проводилась по параметру пластической прочности пенобетонных массивов. С этой целью готовились две серии пенобетонных растворов на обычном песке с размером зерен 1-3 мм (S_уд. ? 1 м²/кг) и том же песке, молотом до удельной поверхности 300 м²/кг. Приготовленные массивы выдерживались в течение 12 часов в камере при температуре 40 єС, после чего измерялась их пластическая прочность. Массивы на немолотом песке характеризовались равномерным созреванием для всех групп ПО и имели после выдержки пластическую прочность в пределах 0,10-0,12 МПа (табл. 3). Однако при использовании молотого песка наибольшая прочность наблюдалась у массивов с использованием гидролизата белков (V гр.), прочность падала до нуля при использовании пенообразователей I и II группы (возрастание молекулярной массы).

Таким образом, опыты подтвердили, что пены с большими молекулярными массами нецелесообразно использовать для автоклавной резательной технологии из-за плохой смешиваемости с тонкомолотыми компонентами и ограничениями по срокам созревания.

Таблица 3 Пластическая прочность пенобетона плотностью D500

Эти же выводы были сделаны при исследования прочности пенобетона при сжатии после автоклавной обработки (рис. 1).

Рис.1. Влияние природы пенообразователя и плотности пены на прочность пенобетона плотностью D500

Было установлено, что наибольшая прочность - 3,5 МПа - у образцов на основе гидролизата белка (V гр.), несколько меньшая - 2,5 МПа - у образцов на клееканифольном пенообразователе (IV гр.) и падала у образцов на пенообразователях с высокими молекулярными массами, не достигая требуемых значений по прочности, предъявляемых ГОСТ 21520-89.

Лучшими в этой связи являются пенообразователи на основе гидролизатов белка, как характеризующиеся высокими пластическими и прочностными свойствами. Клееканифольный пенообразователь (IV гр.) занимает промежуточное положение, т.к. имеет хорошие показатели прочности при сжатии, но недостаточную пластическую прочность пенобетонных массивов, что позволяет рекомендовать его в производстве автоклавного пенобетона без применения резательной технологии.

Полученные выводы в дальнейшем использовались при разработке и освоении производства автоклавного пенобетона по резательной технологии. Разработка технологии проводилась также с учетом основных положений и указаний инструкции по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН 277-80. При этом решались следующие задачи: разработать отечественную линию производства автоклавного пенобетона; разработать и внедрить новое оборудование, обеспечивающее выпуск изделий, соответствующих современным требованиям; получить изделия на рядовом и вторичном сырье с учетом особенностей сырьевой базы различных регионов России; обеспечить выпуск изделий с высокой точностью геометрических размеров и в соответствии с действующими стандартами.

Для реализации поставленной задачи были приняты следующие технологические условия: использование извести активностью ниже 70 %; замена молотого песка вторичными продуктами - золой от сжигания осадков сточных вод; поризация смеси путем добавления пены с низкой молекулярной массой ( т.е. V гр. по классификации табл. 1); формование ячеистой массы в вертикально расположенные формы; разрезание массивов короткими струнами на одном технологическом поддоне с размерами массива, мм: длина - 4500, ширина - 600, высота - 1200.

Получаемый пенобетон изотропен и в отличие от газобетона ориентация струн при разрезке не имеет значения. Однако важными технологическими задачами являются формирование и стабилизация ячеистой структуры пенобетона, обеспечивающие его равномерное созревание при достижении им пластической прочности перед резкой. Установлено, что при высокой пластической прочности обеспечивается хорошая гладкая поверхность изделий, однако при этом часто рвутся струны. При низкой пластической прочности достигается хорошее прорезание, но при этом не избежать слипания изделий и разрушения массива. Исследования показали взаимосвязь температуры и равномерности созревания, заключающуюся в одинаковых значениях по прочности внутри и снаружи массива. Установлено, что для обеспечения равномерности созревания разница температур пенобетонной смеси и в камере выдержки в момент формования не должна превышать 10-15 єС. Рекомендуемая температура формуемой смеси для пенообразователя на основе гидролизата белков составляет 30 єС. Определено, что пластическая прочность для используемого режима резания составляет 0,03-0,035 МПа, время выдержки массива составляет 6-7 часов. Скорость набора пластической прочности уменьшается при понижении температуры и плотности пенобетонных растворов. Графические зависимости времени достижения пластической прочности от температуры окружающей среды для пенобетонов разной плотности представлены на рис. 2.

В соответствии с поставленной задачей было разработано и внедрено в производство резательное оборудование. Схема резательного комплекса исключает образование трещин при резке и обеспечивает точные размеры изделий в пределах ±1 мм. Высокая геометрия размеров достигается путем резки изделий вдоль и поперек оси формы струнами, длина которых превышает ширину массива на 100 мм с каждой стороны, разрезка осуществляется гладкими струнами диаметром 0,7-0,9 мм. На разработанное и внедренное оборудование имеется патент № 2229379 «Резательная машина для ячеистого массива».

Рис.2. Зависимость времени набора пластической прочности (0,35 МПа) от температуры для пенобетонов D400…D600

Установлено, что технология автоклавного пенобетона менее требовательна к качеству сырьевых материалов и позволяет получать изделия на извести активностью от 50 до 90%. С целью определения состава пенобетона проведены подборы с учетом качества сырья и особенностей формования и созревания массива. Состав пенобетона определялся исходя из требований к текучести цементно-известково-песчаного раствора, обеспечивающей оптимальное водо-вяжущее отношение и максимальную прочность материала. Текучесть для разных плотностей определялась по диаметру расплыва смеси на вискозиметре Суттарда. На отработанные компонентные составы для автоклавного пенобетона средней плотности 400, 500 и 600 кг/м³ (табл. 4) разработаны технические условия ТУ 5741-005-53228766-2001 «Блоки стеновые из ячеистого бетона (пенобетона)».

Таблица 4 Расход материалов для пенобетона D400...D600

Автоклавная обработка осуществлялась при температуре равной 174 ± 5 єС и давлении 0,8 МПа по уточненным режимам (табл. 5).

Таблица 5 Режимы автоклавной обработки для пенобетонов D400...D600

Прочность пенобетона определяли после окончания автоклавирования, а также в возрасте 28 и 56 суток. Для пенобетона, достигшего проектной прочности, определяли следующие физико-механические характеристики: прочность при сжатии, прочность при изгибе, теплопроводность, паропроницаемость, сорбционную влажность, отпускную влажность, морозостойкость. Полученные данные представлены в табл. 6.

Таблица 6 Основные физико-механические характеристики пенобетона D400...D600

Рис.3 Принципиальная схема линии по производству изделий из автоклавного пенобетона по резательной технологии

Стабильность показателей автоклавного пенобетона по плотности и прочности на сжатие оценивалась по коэффициентам вариации в соответствии с требованиями СН 277, ГОСТов 27005, 18105. Стабильность технологических параметров оценивалась в соответствии с нормируемыми физико-техническими показателями производимой продукции (табл. 7).

В г. Орел в 2006 г. запущен завод проектной мощностью 100 тыс. м³ в год автоклавного пенобетона по резательной технологии, свойства материала соответствуют ГОСТам 21520-89, 25485-89.

Следует отметить, что разработанная впервые в отечественной практике промышленная линия производства автоклавного пенобетона по резательной технологии имеет ряд преимуществ: выпускаемые изделия имеют высокую точность геометрических размеров; менее требовательна к качеству сырья и позволяет получать изделия при использовании извести от 50 до 90 %; принципиальной особенностью технологии является способ поризации путем введения технической пены, значительно упрощающий производственный процесс; инвестиционная стоимость линии на порядок ниже по сравнению с зарубежными линиями автоклавного газобетона. Разработанная линия защищена патентом РФ № 2255859.

При решении природоохранных и экологических задач, была проведена замена молотого песка тонкодисперсными вторичными продуктами - золой от сжигания осадков сточных вод. При проведении экспериментов осуществлялась замена 100%, 50% и 25% песка на золу. В результате проведенной работы была установлена возможность замены в пенобетоне до 50% песка на золу, что в дальнейшем позволило впервые получить гигиенический сертификат на данный вид изделия, с возможностью его применения как строительного материала 2 класса (дорожное строительство в пределах населенных пунктов и зон перспективной застройки, строительство производственных сооружений) и 1 класса (все виды строительства).

Таблица 7 Сравнение нормированных и фактических показателей контролируемых технологических характеристик и процессов для пенобетона D500

Опыты по введению золы от сжигания осадка сточных вод производились в цехе производства автоклавного пенобетона на Опытной базе ПГУПС по адресу: СПб., ул. Предпортовая, д. 7.

На основании полученных данных были разработаны технические условия на производство бетона ячеистого (автоклавного) на основе золы от сжигания осадка сточных вод, на технологический регламент производства золопенобетона получен патент № 2004108763/03. Автоклавный золобетон.

Регламент распространяется на производство золопенобетона средней плотности 500, 600 и 800 кг/м³, предназначенного в качестве стенового материала при строительстве зданий и сооружений. Твердение осуществляется в гидротермальных условиях при t = 174 5 ^оС, р = 0,8-1,0 МПа.

Физико-механические свойства полученного золопенобетона соответствуют требованиям ГОСТ 25485-89.

II. Ускорение твердения пенобетонной смеси при пониженных и отрицательных температурах

Выбор пенообразователей при твердении пенобетона в условиях пониженных и отрицательных температур производился в соответствии с предложенной автором классификацией и на основании температурного и химического технологических признаков, исходя из чего было сделано предположение о том, что при ведении пенобетонных работ при пониженных и отрицательных температурах устойчивость пены к температурному воздействию может быть связана с молекулярной массой пенообразователя и величиной n, которая по классификации определяет число атомов углерода в гидрофобной части молекул. При этом наибольшая устойчивость должна быть у ПАВ с большими молекулярными массами и максимальным числом n.

Этот вывод следует из формулы (1), а также известной зависимости времени жизни пены от температуры:

, (2)

где Е - эффективная энергия активации разрушения пены; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; ф_R - скорость разрушения пены.

Также было сделано предположение, что устойчивость пены может быть связана с природой ПАВ и интервалом рН пенообразования, определяющим ее совместимость с солями противоморозных добавок. Общая рекомендация в этом случае связана с уровнем рН раствора вводимой добавки - он должен быть как можно ближе к уровню рН пенообразователя и не содержать агрессивных для пены ионов. В последующем в этой части работы разрабатывались три способа ускоренного твердения монолитного пенобетона при пониженных и отрицательных температурах с использованием известных пенообразователей: - метод «термоса» с предварительным подогревом пенобетонной смеси, электропрогрев греющими проводами и с применением противоморозных добавок.

Известно, что метод «термоса» наиболее эффективен при устройстве массивных бетонных конструкций с модулем поверхности М_п < 8.

Известно также, что расчеты параметров термосного выдерживания бетона сводятся к тому, чтобы как можно дольше сохранить тепло уложенного бетона и экзотермическое тепло, выделяемое цементом. Продолжительность остывания бетона, уложенного в опалубку, определяется по формуле Скрамтаева:

, (3)

где: ф - продолжительность остывания бетона, ч;

С_б - удельная теплоемкость бетона, кДж/кг °С;

г_б - плотность бетона, кг/м³; t_б.н - начальная температура бетона в конструкции, ^оС;

t_б.к - температура бетона к концу остывания, рекомендуется принимать не ниже 5 °С;

t_б.cp - средняя температура остывания конструкции, ^оC;

t_н.в - температура наружного воздуха, єС; Ц - расход цемента, кг/м³;

Э - удельное тепловыделение цемента за время твердения бетона, Дж/кг;

М_п - модуль поверхности конструкции, м^-1;

К- коэффициент теплопередачи через опалубку и теплоизоляцию, Вт/м²·К.

На основе анализа был сделан вывод, что используемая методика расчета объемов тепла, содержащегося в бетоне, справедлива и для пенобетонов различной плотности, приготовленных на цементном вяжущем, так как произведение С_б г_б учитывает влияние различной плотности пенобетона, а величина ЦЭ - повышенный расход цемента в пенобетоне. Параметр определения теплопотерь при остывании KM_n(t_б.cp - t_н.в) также приемлем и для конструкций из монолитного пенобетона.

Для расчета параметров укладки методом термоса, необходимо учитывать кинетику изменения прочности укладываемого пенобетона. Предварительное знание графиков набора прочности пенобетонов различной плотности необходимо для того, чтобы: прогнозировать время достижения R_тр и определять величину Э в формуле 3; оценить прогнозируемую прочность в зависимости от времени остывания и её соответствие распалубочной прочности согласно СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции». В работе была изучена кинетика изменения прочности пенобетонов различной плотности в естественных условиях, результаты исследований отражены на рис 4.

Для приготовления пенобетонов во всех случаях применялся пикалевский цемент М400, намывной песок и клееканифольный пенообразователь, по классификации принадлежащий к IV группе ПАВ, как имеющий максимальное число n.

В работе был произведен аналитический расчет времени остывания пенобетонов различной плотности, укладываемых методом «термоса» в равных условиях:

M_n = 6; К = 2; t_б.н = +25 °С; t_б.к = +5 °С; t_6.cp = +10 °C; t_6..в = - 5 °С.

Рис. 4. Кинетика набора прочности пенобетона в естественных условиях Для пенобетона средней плотности: 1 - 400 кг/м³; 2 - 600 кг/м³; 3 - 800 кг/м³; 4 - 1000 кг/м³; 5 - 1200 кг/м³; 6 - 1400 кг/м³; 7 - 1600 кг/м³.

Для определения тепловыделения Э портландцемента М400 время твердения было принято 7 сут, исходя из того что, согласно графикам твердения (рис. 5), к этому времени пенобетоны любой марки набирают прочность, равную 50% от R₂₈, что позволяет снимать термозащиту с уложенного пенобетона. Расчетные величины времени остывания пенобетонов различной плотности представлены в табл. 8.

Рис. 5 показывает сходимость расчетных и практических значений времени остывания пенобетонов на клееканифольном пенообразователе различной плотности при прочих равных условиях, что подтверждает возможность укладки пенобетона при пониженных и отрицательных температурах методом «термоса» с расчетом параметров по существующей методике Скрамтаева.

Таблица 8 Время остывания пенобетонов разной плотности, рассчитанное по формуле Скрамтаева (3)

Рис.5. Сходимость расчетных и практических данных остывания пенобетона

При укладке пенобетона методом «термоса» особого внимания требует вопрос сохранения пены при подогреве смеси. Температурные ограничения подогрева связаны с природой пенообразователей, используемых для приготовления пенобетона. В соответствии с предложенной автором классификацией был введен дополнительный критерий, названный Т_пр - предельная температура, под которой понимается предельная температура существования пены. Было установлено, что пены, полученные на разных пенообразователях, имеют свои значения Т_пр (табл. 9) и что разрушение пены на основе гидролизата белков происходит при температурах выше +30 °С, пены на синтетических пенообразователях разрушаются при температурах нагрева более +70 °С, пены на клееканифольном пенообразователе, имеющие максимальное число n, разрушаются при температуре нагрева более +80 °С, что позволяет рекомендовать клееканифольный и синтетические пенообразователи как наилучшие при твердении при пониженных и отрицательных температурах.

Таблица 9. Предельные температуры существования пены

Таким образом по материалам исследований, сделаны выводы, что метод «термоса» с предварительным подогревом пенобетонной смеси приемлем для укладки монолитного пенобетона при температуре наружного воздуха до минус 10 °С для пенобетонов на основе гидролизатов белка и до минус 20 °С - для пенобетонов на синтетических и клееканифольном пенообразователях. Учитывая необходимость сохранения пены, нами была уточнена методика расчета параметров укладки пенобетона методом «термоса» по формуле (3), в соответствии с чем необходимо вносить корректировки по параметру начальной температуры бетона в конструкции - t_б.н. в зависимости от природы пенообразователя по классификации и с учетом установленных значений предельных температур Т_пр.

С учетом сделанных выводов в работе были разработаны составы пенобетонных смесей разной плотности (табл. 10).

Таблица 10. Составы пенобетона D400-D1600, используемые при проведении работ методом «термоса»

В табл. 11 представлены свойства монолитного пенобетона различной плотности, полученного в условиях пониженных и отрицательных температур с применением метода «термоса». Приведенные результаты свидетельствуют о том, что, используя метод «термоса» и достигая ускорения твердения пенобетона, можно получить пенобетон, физико-механические свойства которого соответствуют требованиям ГОСТ 25485-89.

Таблица 11 Прочностные характеристики пенобетона, полученные при ускоренном твердении методом «термоса»

В качестве противоморозных добавок в пенобетоны, твердеющие при температурах ниже 0 °С в работе использовались: CaCl₂+NaCl, NaNO₂ и К₂СО₃. Результаты исследования этих добавок на совместимость с пенообразователями (табл. 12) показали избирательность взаимодействия пенообразователей и солей противоморозных добавок.

Из табл. 12 видно, что пену на клееканифольном пенообразователе разрушают хлориды (CaCl₂+NaCl), а поташ (К₂СО₃) разрушают пены на протеиновых и синтетических пенообразователях. Наиболее универсальным является нитрит натрия NaNО₂, который может быть рекомендован для всех используемых в данной работе пенообразователей.

В работе проводились исследования свойств пенобетона средней плотностью 1600 кг/м³, твердеющего при низких и отрицательных температурах с применением противоморозных добавок, не разрушающих пенобетонную смесь. В табл. 13 представлены результаты исследований набора прочности пенобетонов при различных значениях отрицательных температур. Исследования проводились с применением Пикалевского портландцемента М400 и пенообразователей: синтетического - Пеностром и - на клееканифольной основе.

Таблица 12 Совместимость пенообразователей и противоморозных добавок

(-) - пена разрушается; (+) - пена не разрушается.

Таблица 13 Нарастание прочности пенобетона средней плотности 1600 кг/м³ с противоморозными добавками

Результаты исследований показали, что рекомендуемый диапазон температур применения солей для монолитного пенобетона находится в пределах до минус 15 °С.

Физико-технические характеристики пенобетона, полученного с применением противоморозных добавок, представлены в табл. 14. Они свидетельствуют о том, что на начальные стадии набора прочности (до 7 суток) в присутствии противоморозных добавок происходит ускорение твердения в 1,3 раза

Таблица 14 Основные свойства пенобетона, полученного при ускоренном твердении с противоморозными добавками

В работе исследовалась возможность применения электропрогрева греющими проводами монолитного пенобетона при низких и отрицательных температурах. Исходя из выявленных ограничений электронагрева пенобетонной смеси, связанных с ее разрушением при контакте с греющим элементом, был сделан вывод о принципиальной возможности применения метода при использования пены с высокими значениями n и высокими молекулярными массами. Были установлены технологические особенности электропрогрева пенобетона: - режим нагрева с максимальной скоростью для пенобетона недопустим, так как при этом температуры нагрева проводов превышают 80°С, - для пенобетона приемлем режим нагрева до определенной температуры, обеспечиваемой подбором необходимой мощности греющих проводов.

Экспериментально установлено, что оптимальная погонная нагрузка р на проволочные нагреватели, укладываемые в пенобетон, составляет 10 Вт/м - для пенобетонов на синтетических пенообразователях; 15 Вт/м - для пенобетонов на клееканифольных пенообразователях. Было также установлено, что электропрогрев пенобетонов на протеиновых пенообразователях не рекомендуется, так как при температуре греющего провода около +30 °С электропрогрев становится экономически нецелесообразным. Исходя из этого длина проволочных электронагревателей l для прогрева пенобетонных конструкций может определяться по формуле (4), применяемой для тяжелых бетонов, но с учетом рекомендуемых величин р.

, (4)

где U - рабочее напряжение питания, В; S - сечение токонесущей жилы, мм²; p_t - удельное сопротивление температуре, Ом · мм²/м; p - оптимальная погонная нагрузка на провод, Вт/м;

Практическое применение предложенных рекомендаций позволило создать в условиях отрицательных температур монолитное армированное перекрытие с требуемыми техническими характеристиками.