Технология и свойства монолитного теплоизоляционного пенобетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 666.972.16

На правах рукописи

Технология и свойства монолитного теплоизоляционного пенобетона

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

нурдаулетов алгысбай

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Садуакасов М.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Соловьев В.И.

кандидат технических наук,

Пак С.Д.

Ведущая организация: Казахский национальный технический

университет имени К.И. Сатпаева

Защита состоится 17 сентября 2010 года в 15-30 часов на заседании диссертационного совета Д 14.03.01 в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского и проектного института строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6.

Автореферат разослан « » августа 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н.

А.К. Куатбаев

Т?ЙІН

Н?рд?улетов Ал?ысбай

Монолитті жылу изоляциялы? к?бік бетонны? технологиясы

мен ?асиеттері

05.23.05 - ??рылыс материалдары мен б?йымдары

Зерттеу ж?мысыны? нысаны. Монолитті жылу изоляциялы? к?бік бетон.

Зерттеу ж?мысыны? ма?саты. Ж?мысты? ма?саты орташа ты?ызды?ы 150-250 кг/м3 монолитті жылу изоляциялы? бетонны? ??рамын та?айындау ж?не оны? ?асиеттерін зерттеу.

Зерттеу ж?мысын ж?ргізу ?дістері. Ж?мыста негізінен зерттеуді? стандартты ?дістемелері ?олданылды.

Ж?мысты? н?тижелері. Жылу изоляциялы? ?те же?іл к?бік бетон алу?а жарамдылы?ын аны?тау ?шін синтетикалы? ж?не кератинді к?бік ??раушыларды? физикалы? ?асиеттерін аны?тайтын зерттеулер ж?ргізілді. Т?ра?тылы?ы жо?ары, ты?ызды?ы 33-40 г/л, 25-30 еселі к?бік ??райтын, ПБ-2000, ПБ-люкс типті синтетикалы? к?бік ??раушыларды? тиімділігі ай?ындалды.

Беттік-белсенді затты? сулы ерітіндісіне ?ос?анда ?атаюды? басталуы мен материалды? ??рылымды? беріктігіні? ?алыптасуына дейін т?ра?тылы?ы жеткілікті к?бікті цемент массасын ?амтамасыз ететін, карбоксилметилцеллюлоза, сульфонат ж?не майда ?нта?тал?ан кварцты ??м ?осыл?ан кешенді ?оспа алынды.

Шы?у к?рсеткіштері реттелінетін к?бік бетон араласпасын дайындауды? ?здіксіз технологиясы жасалынды. ?те же?іл к?бік цементті массаны алуды? технологиялы? т?ртібі, я?ни цемент ерітіндісі мен к?бікті араластыр?ыш?а жо?ары ?ысымда, ?здіксіз араластыру ар?ылы беруді, ?алыптау массасын шланг ар?ылы ?алып ке?істігіне жеткізу барысынды ?ысымды біртіндеп т?мендетуді ?арастыр?ан. Ты?ызды?ы 280-450 кг/м3 к?бік цемент массасын немесе ты?ызды?ы 150-250 кг/м3 к?бік бетон алу ?шін, ерітіндіні? ?ысымын 0,3 МПа де?гейінде, ал к?бікті? ?ысымын - 4,8-5,5 МПа де?гейінде ?стау ?ажеттігі аны?талды. Б?дан да же?іл араласпа алу ?шін к?бікті? ?ысымын арттыру ?ажет, ал ты?ызды?ы жо?ары араласпа ал?анда к?бік ?ысымын т?мендету ?ажет.

Беріктік ?асиеттері ?ана?аттандырарлы? ж?не физикалы? ?асиеттері жа?сартыл?ан, орташа ты?ызды?ы 150-250 кг/м3 жылу изоляциялы? к?бік бетон ??рамдары аны?талды. Шикізатты? материалды? 1 м3 араласпа алу?а ?ажетті тиімді ??рамы, %: М400 маркалы портландцемент - 73-82; микрокремнезем немесе к?л - 10-20; микроарматуралаушы талшы? - 1-2; ?атаюды жеделдетуші - 1,5-2; кешенді ?оспа -1,5-3; к?бік ??раушы - 1,5-3.

Сы?у?а беріктігін, жылу ?ткізгіштігін, ыл?ал сиымдылы?ын, кеуектілігін, кеуекті? ?лшемі мен таралуын ?арастыр?ан монолитті жылу изоляциялы? к?бік бетонны? физика-механикалы? ?асиеттері зерттелді. ?те же?іл монолитті жылу изоляциялы? к?бік бетонны? ыл?ал сиымдылы?ы, ауа ыл?алдылы?ы 98% те? бол?анда, 10% аспайтыны аны?талды, ыл?ал сиымдылы?ыны? т?мендігі бу т?ріндегі ыл?ал т?ра?тамайтын макро кеуектерді? мол к?лемімен (80-86 %) байланысты.

Ыл?ал сиымдылы?ы к?рсеткішіні? т?мендігі себебінен, ыл?алды? жылу изоляциялы? к?бік бетонны? жылу ?ткізу коэффициентіне ?сері шамалы: 10 % стандартты ыл?алдылы?та жылу ?ткізу коэффициенті бар бол?аны 0,07 ден 0,074 Вт/(м·°С) дейін к?теріледі, ал ?алыпты ыл?ал сиымдылы?ында (4,5%) - 0,072 Вт/(м·°С).

Енгізілу д?режесі. ?сыныл?ан технологияны ?ндірістік жа?дайда бай?ау ж?мыстары ж?ргізілді. ?ндірістік ?ондыр?ылар, атап айт?анда, ерітінді дайындайтын сыла? агрегаты, к?бік генераторы, к?бік ж?не ертіндіні араластыратын араластыр?ыш, ?ргіш ж?не бас?а монолитті к?бік бетонды жылу изоляциялы? ?абатты ?алыптайтын ?осал?ы ?ондыр?ылар ?олданылды. Сына? партиясынан алын?ан к?бік бетон ?лгілерін сынау н?тижелері келесіше: орташа ты?ызды?ы 255 кг/м3, сы?у?а беріктігі 0,32 МПа, жылу ?ткізу коэффициенті 0,079 Вт/(м·°С).

Ж?мысты? экономикалы? тиімділігі. Монолитті к?бік бетоннан жылу изоляциялау ?абатын жасау мен ?ндіруді? технико-экономикалы? тиімділігі есептелді. Жылына 10 мы? м3 жылу изоляциялы? ?абат жабыл?анда экономикалы? тиімділік 120 млн тенгені ??райды.

Зерттеу ж?мысы нысаныны? даму болжамы. ?ылыми-техникалы? ?сыныс ?ндіріске енгізуге дайын, т?менгі ж?не жо?ар?ы ?абаттарды жылу изоляциялы? ?абаттармен жабуда, сонымен ?атар, салынып жат?ан ?имараттарды? сырт?ы ?абыр?аларын жылу изоляциялы? ?абатпен ?аптауда, белгілі жа?дайлар ?арастырылса, ке? ?олданыс табады.

RESUME

Nurdauletov Algysbay

Technology and qualities of monolithic heat-isolating foam-concrete

05.23.05 - Building materials and products

Object of investigation. Monolithic heat-isolating foam-concrete.

Aim of the work. The aim of this work is the development of compositions and technology of monolithic heat-isolating foam-concrete with mean density 150-250 kg/m3 and the investigation of its qualities.

Methods of conducting of the work. In this work mainly the standard methods of investigation were used.

Results of the work. There are conducted the investigations on definition of physical qualities of synthetic and keratine foam-generator to state the possibility of their use for very light foam concrete preparing. It was observed that the optimal is the use of synthetic foam-generators of PB-2000 and PB-luxe types, which form the foam with repeatability 25-30, density 33-40 g/l and the raised stability.

The complex addition is developed which include carboxymethilcellulose, sulphonate and fine quartz sand, introduction of which in water solution of surface-active matter allows to supply good stability of foam0cement mass in time till beginning of hardening and set of structural strength by material.

The technology of unceasing preparation of foam-concrete mixture with regulated output parameters is developed. The technological regime of very light foam-concrete mass preparing provide the cement paste and foam presenting under surplus pressure in mixer with unceasing regime of mixing of components and fluent unset of mixed forming mixture pressure in process of its transportation by hose to forming space. It is stated that for preparing of foam-concrete mass with density 280-450 kg/m3 in dry condition 150-250 kg/m3 it is necessary to keep the pressure of haste on level 0,3 MPa, and pressure of foam - on level 4,8-5,5 MPa. For preparing of more light mixture the pressure of foam must be enlarged and for more dense mixture the pressure of foam must be raised.

Compositions of heat-isolating foam-blocks with mean density 150-250 kg/m3 of natural hardening and satisfactory qualitative and improved physical qualities are developed. Optimal composition of raw materials for preparing of 1 m3 of mixture is,%: portlandcement M400, M500 - 73-82; microsilica or ash -10-20; microarmouring filaments- 1-2; booster of hardening -1,5-2; complex addition 1,5-3, foam generator -1,5-2.

Physical-mechanical qualities of monolithic heat-isolating foam-concrete including compressive strength, gygroscopicity, heat conductivity, porosity, pore distribution on dimensions are investigated. It is stated that gygroscopicity of very light heat-isolating foam-concrete do not exceed 10% under relative humidity of air 98 %. Low gygroscopicity is conditioned by large volume of macropores (to 80-86 %), in which vaporous water does not detain.

It is stated that for not high meanings of gygroscopicity the humidity of heat-isolating foam-concrete renders small influence on heat conductivity factor of the material: under standard humidity of material equal 10 % the factor of heat conductivity raises only from 0,07 to 0,074 Vt/(m.oC), and with gygroscopical humidity (4,5 %) it is equal 0,072 Vt/(m oC).

Level of introduction. Experimental works for developed technology are conducted in industrial conditions. With use of industrial apparatus, for example stucco unit for paste preparation, foam -generator, mixture for foam and paste mixing, pumps, feeders and auxiliary devices potting of overlappings by heat-isolating layer from monolithic foam-concrete on the object is conducted. Tests of foam-concrete specimens of experimental party showed such results: mean density 255 kg/m3; compressive strength 0,32 MPa, heat conductivity factor 0,079 Vt/(moC).

Economical effect of the work. Technical-economical calculation of production effectiveness and setting of heat isolation from monolithic foam concrete is fulfilled. It is shown that for volume 10 thou. m3 of heat isolation the economical effect is 120 mln. tenge.

Prospect suggestions in the object of investigation development. Scientific-technical work is ready for massive introduction and under given conditions may find wide use in construction for heat-isolating of as overlappings so setting of heat isolating layers of external walls of building and constructions.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Нормативные требования к теплозащите вновь строящихся зданий значительно повышены. Только высокоэффективные материалы (с=200-250 кг/м3, л=0,06-0,08 Вт/(м·оС), энергоемкость конструкций из которых не превышает 10-15 кг условного топлива на 1 м2, способны в течение 5-15 лет сэкономить энергозатраты на их производство и в дальнейшем приносить чистую прибыль. Пустотелый кирпич окупит энергию на его производство через 50 лет (кирпичная кладка при термическом сопротивлении 3,5 м2·оС/Вт - через 250-300 лет).

Из высокоэффективных теплоизоляционных материалов в основном применяют мягкие и жесткие минераловатные плиты и маты, а также пенопластовые плиты. Практика эксплуатации этих видов изделий выявила их недостаточную долговечность и небезопасность как при возникновении пожара, так и в процессе применения за счет выделения вредных газообразных веществ при деструкции полимерной составляющей.

Поэтому проведение научно-исследовательских работ по получению и применению высокоэффективных теплоизоляционных материалов на минеральной основе является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с концепцией Программы развития промышленности строительных материалов, изделий и конструкций на 2005-2014 годы, принятой и утвержденной Правительством РК, а также в различные годы входила в научно-технические программы МОН и по тематическому плану научных исследований ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ».

Целью настоящей работы является разработка составов и технологии монолитного теплоизоляционного пенобетона со средней плотностью 150- 250 кг/м3 и исследование его свойств.

Для достижения поставленной цели были реализованы следующие частные задачи:

- проанализировано состояние вопроса по технологии и составам, а также аппаратурному оформлению технологии теплоизоляционных ячеистых бетонов;

- разработаны составы теплоизоляционных пенобетонов со средней плотностью 150-250 кг/м3 естественного твердения с удовлетворительными прочностными и улучшенными физическими свойствами;

- разработана технология непрерывного приготовления пенобетонной смеси с регулируемыми выходными параметрами;

- исследованы синтетические и кератиновые пенообразователи для получения теплоизоляционных пенобетонов;

- разработан способ повышения устойчивости пеноцементной массы во времени;

- исследованы физико-механические свойства монолитного теплоизоляционного пенобетона;

- проведены опытные работы по заливке перекрытий теплоизоляционным слоем из монолитного пенобетона на строительном объекте;

- выполнен технико-экономический расчет эффективности производства и устройства теплоизоляции из монолитного пенобетона.

Научная новизна работы:

- разработана технология непрерывного приготовления пенобетонной смеси с регулируемыми выходными параметрами, при которых пена c давлением 4,8-5,5 МПа смешивается с цементным раствором с давлением 0,3 МПа;

- определены требования к пенообразователю, используемому для получения особо легких пенобетонов. Пенообразователь должен образовывать раствор с низким значением поверхностного натяжения при минимальном расходе основного вещества, а из раствора образовывать достаточно устойчивую пену кратностью 25-40 плотностью 25-40 г/л;

- разработан способ повышения устойчивости высокопоризованной пеноцементной массы, обеспечивающий сохранение заданной формы до затвердевания за счет желатинизации карбоксиметилцеллюлозы в составе комплексной добавки;

- разработаны составы теплоизоляционных пенобетонов со средней плотностью 150-250 кг/м3, включающие портландцемент марки М400 с удельной поверхностью 4000-5000 см2/г, микрокремнезем, гиперпластификатор «Глениум» специального состава, гидрофобизатор, микроармирующие волокна, ускоритель твердения, стабилизатор пеномассы;

- установлено незначительное влияние влажности на коэффициент теплопроводности особо легкого теплоизоляционного пенобетона: при стандартной влажности материала равной 10% коэффициент теплопроводности увеличивается всего с 0,07 до 0,074 Вт/(м·оС), а при гигроскопической влажности (4,5%) - составляет 0,072 Вт/(м·оС).

Основные положения, выносимые на защиту:

- технология непрерывного приготовления пенобетонной смеси с регулируемыми выходными параметрами;

- требования к пенообразователю, используемому для получения особо легких пенобетонов;

- способ повышения устойчивости высокопоризованной пеноцементной массы обеспечивающий сохранение заданной формы до затвердевания;

- составы теплоизоляционных пенобетонов со средней плотностью 150-250 кг/м3;

- влияние влажности на коэффициент теплопроводности особо легкого теплоизоляционного пенобетона.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработаны составы и технология приготовления пеноцементной смеси для формования монолитного теплоизоляционного пенобетона для утепления кровли и устройства изоляционного слоя наружных ограждающих конструкций;

- опытные работы по устройству теплоизоляционного слоя кровли из монолитного пенобетона со средней плотностью 250 кг/м3 проведены при ремонте центральной библиотеки с. Узун-Агач;

- экономический эффект от внедрения результатов исследований при устройстве 10 тыс. м3 монолитной теплоизоляции из особо легкого пенобетона в год составит 120 млн. тенге.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации доложены на международных конференциях: «Новые энерго- и ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2009), «Наука и инженерное образование без границ» (Алматы, 2010), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2010), «Современные проблемы геотехники, механики и строительства транспортных сооружений» (Алматы, 2010), «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 5 статей в 3 изданиях, рекомендуемых Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений, содержит 107 страниц машинописного текста, 25 рисунков, 31 таблицу, список использованных источников из 102 наименований.

Результаты работы получены автором самостоятельно.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована статистическими данными, применением современных методов исследований и лабораторного оборудования, обеспечивающего необходимый уровень надежности измерений.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

пенобетонный смесь кератиновый теплоизоляционный

Научно-технический анализ в области технологии и применения теплоизоляционных пенобетонов

Анализ данных научно-технической литературы показал, что в последние годы в странах СНГ в сфере строительства значительно увеличился интерес к минеральным теплоизоляционным материалам и, особенно, к пенобетонам. Данная тенденция обусловлена выявлением некоторых отрицательных аспектов применения в качестве теплоизоляционных материалов минеральной ваты и пенополистирола. Изделия из минеральной ваты и пенополистирола характеризуются относительно невысокой долговечностью, представляют серьезную опасность при возникновении пожара за счет выделения при повышении температуры ядовитых, приводящих к удушью газообразными веществами, а также выделением в процессе эксплуатации опасных для здоровья человека канцерогенных веществ, в частности стирола, фенола, формальдегида и др.

В этом плане пенобетонные изделия и материалы выгодно отличаются долговечностью, экологической чистотой, пожаростойкостью и другими положительными качествами. На сегодняшний день в Казахстане из ячеистых теплоизоляционных материалов выпускается только газобетон автоклавного твердения. При прочих положительных качествах, таких как достаточно высокая прочность, открытая пористость (благоприятна для звукопоглощения), наличие обработанных поверхностей и др. газобетону присущи и определенные недостатки, основными из которых являются повышенная плотность (более 400 кг/м3) и теплопроводность, а также практически невозможность их изготовления в виде монолита с прогнозируемыми свойствами на строительных площадках.

В РК пенобетонные изделия выпускаются в виде конструкционно-теплоизоляционных блоков со средней плотностью порядка 700-900 кг/м3, а также применяются для заливки чердачных помещений со средней плотностью 500 кг/м3. Данных по получению монолитного пенобетона с меньшей плотностью не обнаружено, так как производство легких и особо легких ячеистых бетонов невозможно организовать по простой технологии и с использованием стандартных составов.

В последние годы появились сведения о научно-технических разработках по получению легких монолитных пенобетонов с использованием бездобавочного цемента марки М500, цементов низкой водопотребности, химических добавок и применением специальных технологических приемов. Вместе с тем отмечается сложность управления технологией, поскольку при превышении пористости более 80% минеральные системы характеризуются неустойчивостью структуры, нестабильностью плотности, пониженными физико-механическими показателями. Несмотря на наличие многочисленных публикаций, до сих пор нет единого мнения по наиболее оптимальной технологии приготовления особо легкой пеноцементной смеси: по одним данным смесь необходимо готовить способом сухой минерализации (смешением пены с сухим вяжущим или с сухой цементнокремнеземистой смесью), по другим данным - способом смешения отдельно приготовленного раствора с пеной, по третьим данным - способом одностадийного вспенивания под давлением путем перемешивания всех компонентов смеси.

Начало изучению и развитию пенобетонной технологии было положено еще в 30-х годах ХХ века зарубежными, в том числе и российскими учеными. За прошедшие десятилетия в области изучения влияния сырьевых компонентов, структурообразования, твердения и заводской технологии ячеистых бетонов достигнут значительный прогресс. Линии по производству газобетонных изделий (плит, блоков) полностью механизированы и автоматизированы и функционируют во многих странах мира. Заводская технология по выпуску ячеистых бетонов с применением в качестве порообразователя пены не достигла такого уровня развития, но в последние двадцать лет ведутся интенсивные разработки по его совершенствованию с учетом специфики твердения пеноцемента в естественных условиях и в условиях тепловой обработки при атмосферном давлении.

Значительный вклад в развитие теории и совершенствования технологии ячеистых бетонов внесли ученые б. СССР, в том числе и отечественные ученые А.Т. Баранов, П.И. Боженов, А.А. Брюшков, К.В. Гладких, К.Э. Горяйнов, З.А. Естемесов, И.А. Иванов, Б.Т. Кауфман, Т.Е. Кобидзе, М.Я. Кривицкий, К.К. Куатбаев, И.Т. Кудряшов, В.В. Макаричев, У.К. Махамбетова, А.П. Меркин, М.С. Садуакасов, Г.П. Сахаров, Е.С. Силаенков, В.И. Соловьев, Е.В. Ткач, Т.А. Ухова, А.А. Федин, И.А. Хинт, К.С. Шинтемиров и др.

Сырьевые материалы и методика проведения исследований

При проведении исследований в качестве сырьевых компонентов были использованы:

- портландцемент М400 завода АО «Бухтарминская цементная компания», соответствующий требованиям ГОСТ 10178-85;

- кварцево-полевошпатовый песок Капшагайского месторождения Алматинской области, модуль крупности песка - 1,48, содержание кремнезема - 35, полевых шпатов - 58,2, слюды - 1, пылевидных и глинистых частиц - 0,9%;

- зола гидроудаления Алматинской ТЭС, содержание SiO2 - 90%;

- пенообразователи синтетические ПБ-2000, ПБ-люкс, Пента-ПАВ, а также кератиновый пенообразователь на основе животного сырья;

- целлюлозное волокно «арбоцель»;

- полипропиленовые волокна;

- микрокремнезем Челябинского завода ферросплавов;

- химические добавки: гиперпластификатор «Глениум», натрий хлористый, кальций хлористый. Все добавки соответствовали требованиям соответствующих стандартов.

В работе использовались в основном стандартные методы исследований.

Оптимизация составов и технологии теплоизоляционного пенобетона

Технологические факторы предопределяют существенные преимущества пенобетонной технологии производства монолитного ячеистого бетона вследствие:

- низкой степенью зависимости объемов пористости и характеристик ее структуры от теплового режима формования конструкции;

- повышенной устойчивости поризованной массы к сотрясениям, неизбежным в построечных условиях;

- ровной поверхности залитой ячеистой массы, независимо от размеров открытой плоскости;

- неизменности свойств ячеистой массы, и, прежде всего, объемов пористости в условиях перекачивания на большие расстояния по вертикали и горизонтали.

Основной технологической задачей при получении теплоизоляционных особо легких пенобетонов является обеспечение устойчивости пеноцементной массы во времени до приобретения материалом структурной прочности, достаточной для сохранения заданной формы до окончательного затвердевания бетона. Как известно, главной причиной невозможности получения высокопористого газобетона является оседание и разрушение вспученной массы. Причиной этого является недостаточная прочность газовых пузырьков.

При подборе состава пенобетона, базируясь на результатах многолетних научных и практических исследований, ученых различных стран, а также собственных исследований, выполненных в НИИСТРОМПРОЕКТе, исходили из положения о том, что качество пенобетона зависит от структуры межпоровых перегородок и порового пространства. Ячеистая структура затвердевшего монолитного бетона должна характеризоваться равномерно распределенной в объеме материала пористостью в виде полидисперсных по размеру, деформированных в правильные многогранники замкнутых пор, разделенных тонкими и плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками с глянцевой или гладкой поверхностью пор. Для получения пенобетонов с повышенными физико-механическими свойствами необходимо, чтобы межпоровые перегородки характеризовались:

максимальной плотностью и прочностью, что в основном достигается оптимизацией минералогического и гранулометрического состава сырьевых смесей, снижением количества воды затворения;

минимальной капиллярной пористостью, что достигается за счет применения технологических способов, обеспечивающих снижение водосодержания бетонных смесей;

равномерностью распределения компонентов в межпоровой перегородке за счет оптимизации режимов подготовки, в т.ч. гомогенизации сырьевых компонентов и приготовления смесей;

снижением количества дефектов в процессе структурообразования и твердения за счет оптимизации режимов выдерживания и твердения.

сферическими порами разного диаметра, упакованными в плотнейшей гексональной и кубической сингониях;

соотношением между макропорами и микропорами более 7;

однородным распределением пор в объеме бетона, что может достигаться за счет оптимизации технологических параметров приготовления смесей.

В технологии пенобетонов решающую роль играет пенообразователь. Несмотря на его низкое содержание в составе бетона (по массе всего 0,3-1,5%), в частности в теплоизоляционных материалах со средней плотностью 300- 400 кг/м3 он создает объем воздушных пор порядка 85-88%, а в особо легких - 90-94% от всего объема материала. Соответственно физико-механические свойства такого высокопористого материала существенно отличаются от бетона с таким же составом, но плотного строения. Как правило, прочность пенобетона на порядок ниже прочности тяжелого бетона, но при этом ухудшение прочностных показателей компенсируется улучшением теплотехнических и звукоизоляционных свойств материала. Роль пенообразователя на свойства материалов в основном заключается в получении наиболее максимально поризованных устойчивых смесей при наименьшей концентрации ПАВ в растворе, а роль вяжущего - в быстрой фиксации пористой структуры с тем, чтобы предотвратить развивающееся в течение продолжительного времени постепенное укрупнение пузырьков и утолщение стенок перегородок.

При получении теплоизоляционных особо легких пенобетонов пенообразователь становится особенно чувствительным и поэтому принципиальным является выбор между синтетическим и кератиновым пенообразователем с учетом различия их свойств. Поэтому на начальном этапе были проведены исследования по изучению физических свойств водных растворов ПАВ и их вспениваемости, на втором этапе - изучение устойчивости и стабильности пен в цементном растворе.

Данные по изучению изменения физических свойств водных растворов ПАВ в зависимости от концентрации последнего, а также их пенообразующих свойств, представлены на рисунке 1. В качестве пенообразующих ПАВ были апробированы продукты, реализующиеся в г. Алматы и предназначенные специально для изготовления пенобетона, в частности синтетические пенообразователи российского производства с торговыми названиями ПБ-2000, Пента-ПАВ, ПБ-люкс и кератиновый пенообразователь (КРП) местного производства фирмы «Полимир».

Исследования показывают, что введение синтетических ПАВ в воду затворения приводит к резкому снижению поверхностного натяжения - до 27- 32 мН/м, в то время как кератиновый - всего до 54 мН/м. Соответственно синтетические пенообразователи образуют пену значительно более высокой кратности.

Технология получения особо легких теплоизоляционных пенобетонов состоит из приготовления цементного раствора и пены, их смешения в аппарате непрерывного действия и заливке пеноцементной смеси либо в опалубку (при устройстве монолитного теплоизоляционного слоя наружных стен), либо непосредственно на перекрытия и покрытия (при устройстве монолитного теплоизоляционного слоя на верхних и нижних этажах зданий).

Сравнение различных способов приготовления пеноцементных масс показало, что при получении особо легкой смеси раствор и пену необходимо подавать в смеситель при избыточном давлении, при котором пена находится в сжатом состоянии и в меньшей степени подвергается разрушению по сравнению с перемешиванием исходных компонентов в аппаратах при атмосферном давлении. Регулирование плотности формовочной массы осуществляется изменением параметров давления подаваемого раствора и пены. Установлено, что при заданном давлении (0,3 МПа) подаваемого героторным насосом цементного раствора для получения пеноцементной смеси с плотностью 150; 200 и 250 кг/м3 пену необходимо готовить и подавать при давлении 5,5; 5,1 и 4,8 МПа (таблица 1). При превышении давления цементного раствора более 0,3 МПа для получения пеноцементной смеси с искомой плотностью необходимо увеличить давление подаваемой пены, которое определяется опытным путем.

 (а)

(б)

(в)

1 - ПБ-2000; 2 - Пента-ПАВ; 3 - ПБ-люкс; 4 - кератиновый пенообразователь последнего: до 26-34 мн/м при 0,2-0,5 %-ной концентрации водных растворов ПБ-2000, Пента-ПАВ и ПБ-люкс

Рисунок 1 - Зависимость между концентрацией ПАВ, поверхностным натяжением (а), вязкостью (б) и вспениваемостью (в)

Таблица 1 - Зависимость между давлением подаваемой в смеситель пены и плотностью пеноцементной массы при кратности пены 25 и давлении подаваемого цементного раствора 0,3 МПа

Показатель	Показатель формовочной массы при давлении пены, МПа
давление пены, МПа	4	4,8	5	5,1	5,5	6
плотность смеси, г/л	370	250	235	200	150	90
осадка смеси, %	0	0	5	5	7	60

При разработке параметров приготовления пены установлена высокая эффективность применения высокократных пен, в частности кратности 25-30, соответственно плотностью 40-33 г/л, для приготовления особо легких пеноцементных смесей. При введении в рабочий раствор пенообразователя комплексной стабилизирующей добавки, включающей карбоксиметилцеллюлозу, сульфонат и тонкомолотый кварцевый песок, резко повышается устойчивость пены к разрушению при перемешивании ее с цементным раствором. Повышению устойчивости пеноцементной массы способствуют также диспергированные в цементном растворе целлюлозные волокна «арбоцель» совместно с синтетическими волокнами. Оптимальное содержание волокон в смеси составляет соответственно 0,5 и 0,2% от массы сухих компонентов.

На основании выполненных исследований разработана технологическая схема производства монолитного теплоизоляционного пенобетона и подготовлены рекомендации по основному технологическому оборудованию. Согласно этой схеме производство монолитного теплоизоляционного пенобетона осуществляется путем смешивания в смесителе отдельно приготовленного цементного раствора и пены (рисунок 2). Раствор готовится в растворосмесителе принудительного действия с высокоскоростным рабочим органом, пена - в пеногенераторе при давлении 4,8-5,5 МПа из раствора с концентрацией ПАВ 2,5-3% и включающего комплексную добавку. Пеноцементная смесь готовится текучей консистенции и, соответственно, формовка предусматривает литьевой способ заливки формовочной массы в опалубку.

Основное технологическое оборудование для приготовления теплоизоляционного пенобетона включает растворосмеситель, расходный бункер для приема цементного раствора, героторный и водяной насос, пеногенератор и смеситель для перемешивания цементного раствора с пеной. К нестандартным установкам относится смеситель для перемешивания цементного раствора с пеной и пеногенератор. Для их изготовления разработаны технические чертежи, которые могут быть переданы потенциальным потребителям согласно договоренности.

При исследовании свойств определялись основные эксплуатационные свойства теплоизоляционного материала, включающие среднюю плотность, прочность на сжатие, гигроскопичность при различной влажности, коэффициент теплопроводности пенобетона в сухом состоянии и при различной влажности материала.



Р=0,3МПа

Р=4,8-5,5МПа

Рисунок 2 - Технологическая схема производства теплоизоляционного монолитного пенобетона

Поскольку монолитный теплоизоляционный пенобетон не требует перемещения и транспортировки и не несет конструктивной нагрузки, то к его прочности не предъявляются жесткие требования. Прочность на сжатие в возрасте 28 суток при твердении в нормальных температурно-влажностных условиях пенобетонов оптимальных составов при плотности от 150 до 250 кг/м3 колеблется в пределах 0,15-0,42 МПа. Установлено, что при наличии в материале влаги, что имеет место в осенне-весенний периоды года, пенобетон в течение времени постоянно увеличивает свою прочность. Испытания образцов твердевших в течение одного года и двух лет в открытой среде под навесом показали увеличение прочности соответственно на 50 и 70% по сравнению с образцами 28-ми суточного возраста.

Экспериментально установлено, что гигроскопичность пенобетона с гидрофобизующей добавкой даже при повышенной влажности воздуха не превышает 10% (таблица 2).

Таблица 2 - Зависимость между гигроскопичностью пенобетона и относительной влажностью среды при температуре 20-25 оС

Плотность пенобетона, кг/м3	Гигроскопичность пенобетона, %, при относительной влажности воздуха, %
	50	60	70	80	90	98
150	0,4	1,1	2,5	5,0	7,2	8,6
200	0,5	1,2	2,7	5,8	7,7	9,1
250	0,5	1,3	2,9	6,1	8,2	10,0

Низкая гигроскопичность особо легкого пенобетона объясняется большим объемом макропор, в которых парообразная влага не задерживается, а также гидрофобизирующим действием стеарата кальция. Было установлено незначительное влияние на теплопроводность материала его влажности, что объясняется тем, что даже при влажности по массе 10%, в зависимости от плотности пенобетона влага по объему занимает всего 6-9,7%.

Теплопроводность материала тесно связано с его пористостью, которая в свою очередь определяется средней плотностью. Результаты испытаний показали, что коэффициент теплопроводности особо легкого пенобетона в сухом состоянии со средней плотностью 150; 200 и 250 кг/м3 равен соответственно 0,063; 0,071 и 0,078 Вт/(м·оС), что находится на одном уровне с коэффициентом теплопроводности жестких минераловатных плит аналогичной плотности.

Производственное опробование технологии монолитного теплоизоляционного пенобетона

Производственное опробование технологии монолитного теплоизоляционного пенобетона было проведено путем заливки изоляционного слоя на кровлю центральной библиотеки с. Узун-Агач Алматинской обл.

В качестве сырьевых материалов были использованы портландцемент М400 цементного завода, зола гидроудаления Алматинской ТЭЦ, пенообразователь ПБ-2000, гиперпластификатор «Глениум», комплексная добавка для повышения стойкости пены, хлористый кальций и целлюлозные волокна «арбоцель».

В результате опытно-производственного опробования была залита кровля площадью 750 м2 толщиной 10 см из пенобетона. Средняя плотность пенобетона в высушенном состоянии составила 255 кг/м3, прочность на сжатие 0,25 МПа, коэффициент теплопроводности 0,078 Вт/(м·оС). Опытно-произ-водственные испытания теплоизоляционного монолитного пенобетона подтвердили результаты научных исследований.

Расчетный экономический эффект от применения монолитного теплоизоляционного пенобетона вместо жесткой минераловатной плиты марки П200 ориентировочно составит 12 000 тенге на 1 м3; в год от использования 10 000 м3 пенобетона эффект составит 120 млн. тенге.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализированы различные технологии получения пенобетонных блоков и монолитного пенобетона в Республике Казахстан и странах СНГ.

2. Исследовано влияние различных видов синтетических пенообразователей и кератинового пенообразователя на устойчивость особо легкой пеноцементной массы. Установлена эффективность применения синтетических пенообразователей, образующих высокократную пену плотностью 33-40 г/л.

3. Разработана комплексная добавка, включающая карбоксиметилцеллюлозу, сульфонат и тонкомолотый кварцевый песок, введение которого позволяет повысить устойчивость пеноцементной массы в период до схватывания и приобретения материалом начальной структурной прочности.

4. Разработан технологический режим получения особо легкой пеноцементной массы, предусматривающий подачу цементного раствора и пены при избыточном давлении в смеситель с непрерывным режимом перемешивания поступающих в нее компонентов и плавным сбросом давления перемешанной формовочной смеси в процессе ее транспортировки через шланг в формуемое пространство. Установлено, что для получения пеноцементной массы с плотностью 280-450 кг/м3, в сухом соответственно 150-250 кг/м3, необходимо давление раствора поддерживать на уровне 0,3 МПа, а давление пены - на уровне 4,8-5,5 МПа.

5. Разработан оптимальный состав особо легкого теплоизоляционного пенобетона, включающий, %: портландцемент - 73-82; микрокремнезем или зола гидроудаления - 10-20; микроволокна - 1-2; комплексная добавка для стабилизации пеноцементной массы - 1,5-3; гидрофобизатор (стеарат цинка или стеарат кальция) - 1-2; ускоритель твердения - 1,5-2.

6. Исследованы основные физико-механические свойства теплоизоляционного пенобетона: при средней плотности материала 150; 200 и 250 кг/м3 прочность на сжатие через 28 суток твердения в естественных условиях равна соответственно 0,17; 0,22 и 0,38 МПа.

Установлено незначительное влияние сорбционной влажности пенобетона на его коэффициент теплопроводности. При стандартной влажности материала равной 10% коэффициент теплопроводности увеличивается всего с 0,07 до 0,074 Вт/(м·оС), а при гигроскопической влажности (4,5%) - составляет 0,072%.

7. Установлено непрерывное увеличение прочности теплоизоляционного пенобетона во времени. Испытания образцов твердевших 1 и 2 года показали увеличение прочности на 40 и 60% по сравнению с прочностью образцов 28-ми суточного твердения.

8. Разработана технологическая схема производства монолитного теплоизоляционного пенобетона и даны рекомендации по основному технологическому оборудованию.

9. Опытно-производственные испытания по опробованию технологии и составов подтвердили достоверность результатов лабораторных исследований и возможность получения в производственных условиях особо легкой пенобетонной смеси для заливки теплоизоляционного слоя в междуэтажных перекрытиях и наружных стен строящихся зданий и сооружений.

10. Выполнен расчёт технико-экономической эффективности получения и применения теплоизоляционного особо легкого пенобетона. Показано, что за счет снижения расхода цемента и получения качественного материала достигается экономия в размере 12000 тенге на 1 м3 пенобетона по сравнению с жесткой минераловатной плитой аналогичной плотности.

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель, включая разработку технологии и составов для получения теплоизоляционного монолитного пенобетона, исследования физико-механических свойств, проведение опытно-промышленных испытаний характеризуется полнотой решения данной проблемы.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты, научные положения и выводы могут быть использованы специалистами строительной индустрии, работниками ВУЗов, НИИ, представителями малого и среднего бизнеса при проведении работ по устройству теплоизоляции наружных стен, а также верхнего и нижних этажей строящихся и эксплуатирующихся зданий.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Результаты исследований можно использовать непосредственно для внедрения в производство. Опытно-производственное опробование технологии подтвердило технико-экономическую эффективность применения теплоизоляционного монолитного пенобетона при проведении работ по утеплению зданий и сооружений.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Научная новизна диссертации, обзор литературы, а также полученные научно-технические результаты свидетельствуют о соответствии выполненной работы современному уровню. Основным результатом является установление возможности получения и применения особо легкого теплоизоляционного пенобетона вместо жестких минераловатных и пенопластовых плит, которые характеризуются невысокой долговечностью и экологически небезопасны для человека.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Садуакасов М.С., Нурдаулетов А. Отработка технологии непрерывного приготовления пенобетонной смеси в условиях строительного производства // Новые энерго- и ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Пенза, 2009.- С. 109-111.

2 Нурдаулетов А., Садуакасов М.С. Влияние гиперпластификатора «Glenium» на водопотребность цементно-зольного вяжущего для пенобетона // Современные проблемы геотехники, механики и строительства транспортных сооружений: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Алматы, 2010.- С. 271-275.

3 Нурдаулетов А. К вопросу получения устойчивой пенобетонной массы // Вестник НИИстромпроекта.- 2010.- №1-2 (21).- С. 128-131.

4 Садуакасов М.С., Нурдаулетов А. Влияние пенообразователя «ПБ-люкс» на свойства и стабильность пены // Наука и инженерное образование без границ: материалы Междунар. форума.- Алматы: КазНТУ им. К.Сатпаева, 2010.- Т.2.- С. 192-194.

5 Садуакасов М.С., Нурдаулетов А. Развитие технологии особо легких теплоизоляционных пенобетонов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века.- М., 2010.- № 8.- С. 48-49.

6 Нурдаулетов А., Садуакасов М.С. Использование активированной золы-уноса в производстве теплоизоляционного пенобетона // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Пенза, июнь 2010. - С.61-62.

7 Садуакасов М.С., Нурдаулетов А. Монолитный теплоизоляционный пенобетон для дорожного строительства // Вестник КаздорНИИ.- 2010.- № 1-2 (25-26).- С. 78-79.

8 Садуакасов М.С., Нурдаулетов А. Повышение устойчивости пеноцементных масс при получении высокопоризованных теплоизоляционных пенобетонов // Вестник НИИстромпроекта.- 2010.- №3-4 (22).- С. 35-36.

9 Нурдаулетов А., Садуакасов М.С. Влияние влажности на коэффициент теплопроводности высокопористых теплоизоляционных пенобетонов // Вестник НИИстромпроекта.- 2010.- №3-4 (22).- С. 37-38.

10 Нурдаулетов А., Садуакасов М.С. Подбор состава пенообразователя для теплоизоляционного пенобетона // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: материалы Междунар. научно-техн. конф.- Пенза, май 2010.- С.141-144.

Подписано к печати «13» августа 2010 г.

Формат 60х84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.

Объем 1,2 п.л.

________Тираж 100 экз. Заказ № 235_______________

Типография АО «НЦ НТИ»

050026, г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 221

Размещено на Allbest.ru