Оптимизация технологических параметров изготовления блоков из ячеистого бетона

Статья рассказывает об оптимизации технологических параметров получения пенобетона путем регулирования вещественного, минералогического состава и тонкости помола цемента.

С целью оптимизации состава и технологических параметров изготовления пеноблоков безавтоклавного твердения был опробован ряд цементов, а также соотношение между цементом и песком, тонкость помола цемента для обеспечения быстрого начального твердения, повышенной прочности в поздние сроки твердения, пониженной плотности и объемных деформаций. Уточнение технологических параметров производилось путем регулирования фазового состава портландцементного клинкера, тонкости помола цемента, использования пластификаторов цементно–песчаной смеси, замены песка минеральными добавками.

Введение

В настоящее время ячеистый бетон занимает одно из ведущих мест в мировой практике строительства в качестве конструкционно–теплоизоляционного материала при строительстве зданий различного назначения [1–3]. Высокая теплоизолирующая способность, малая плотность делают ячеистый бетон эффективным материалом при использовании его как в малоэтажном, так и в высотном строительстве. Длительное время производство ячеистого бетона было основано на автоклавном способе тепловой обработки, где прочность изделий обусловлена высокой закристаллизованностью продуктов гидратации цемента в межпоровой перегородке. Однако это производство характеризуется высокими затратами тепло– и электроэнергии. Поэтому повышается интерес к неавтоклавным ячеистым бетонам, вследствие более низких экономических затрат на производство изделий. Основным недостатком неавтоклавного пенобетона является степень закристаллизованности первичных продуктов гидратации цемента, что снижает прочностные свойства пенобетона, увеличивает его усадочные деформации.

ОАО « Подольск–Цемент» несколько лет назад приступил к освоению технологии безавтоклавного ячеистого бетона. В процессе ее освоения необходимо было получить изделия с максимальной прочностью и низкими значениями коэффициентов вариации всех технических свойств, в первую очередь, прочности и минимальной усадки. Соответственно целью работы было уточнение технологических параметров получения пенобетона путем регулирования вещественного, минералогического состава и тонкости помола цемента.

Исходные материалы. В качестве исходных материалов были использованы: портландцементный клинкер различной степени кристаллизации минералов, доменный гранулированный шлак, химический состав которого приведен в табл. 1, песок с модулем крупности Мкр = 2,3, сульфоферритный клинкер в качестве расширяющейся добавки, природный гипс.

Таблица 1. Характеристика исходных материалов

Наименование	SiO2	CaO	Al2O3	Fe2O3	MgO	SO3
Портландцементный клинкер	21,6	63,1	5,6	4,6	4,0	0,13
Шлак	39,0	40,5	12,0	0,5	3,7	–
Сульфоферритный клинкер	5,3	44,4	1,68	36,7	3,0	6,6
Гипс	8,7	30,1	2,6	1,25	2,0	34,5

Минералогический состав клинкера представлен (%): C3S = 56; C2S =1 6; C3A = 6,7; C4AF = 14,5. Поскольку при одинаковом минералогическом составе гидратационная активность клинкера очень сильно зависит от характера кристаллизации, в работе использовали два портландцементного клинкера, отличающихся четкостью кристаллизации и равномерностью распределения минералов (рис. 1).

Рис. 1. Микрофотография клинкеров с четкой (Кл. 1) и нечеткой (Кл. 2) кристаллизацией минералов. Отраженный свет, ув. 400

Микроскопические исследования (рис. 2) сульфоферритного клинкера установили, что в нем содержится в основном двухкальциевый силикат, сульфоферрит кальция 2СaOFe2O30,5CaSO4, сложные фазы переменного состава, состоящие из смеси алюминатов, ферритов и силикатов кальция. На рентгенограмме клинкера имеются четкие и интенсивные линии с d = 2,67; 2,78; 2,60; 7,37; 1,94 нм, относящиеся к сульфоферриту кальция.

 

 Рис. 2. Микроструктура сульфоферритного клинкера, проходящий свет, ув. 440

Шлак доменный гранулированный состоит в основном из стекловидной фазы (до 95 %) и небольшого количества закристаллизованных минералов мелилитовой группы.

Экспериментальная часть

1.1. Влияние характера кристаллизации минералов портландцементного клинкера. На основе клинкеров 1 и 2 были получены портландцементы, из которых изготавливали цементно–песчаные смеси для получения пенобетона. Испытания показали, смесь полученная на основе клинкера 1, характеризующаяся четкой кристаллизацией минералов, обеспечивает более высокую прочность пенобетона в сравнении с прочностью образцов, изготовленных из смеси на основе клинкера 2 (табл. 2).

Таблица 2. Прочность пенобетона на основе портландцемента из клинкеров с разной кристаллизацией минералов

№	Характеристика микроструктуры портландцементного клинкера	Прочность при сжатии, МПа
		7 сут	28 сут
1	Четкая кристаллизация минералов, алит – гексагональные вытянутые кристаллы, белит – округлый с четкими краями	2,55	4,3
2	То же	1,76	3,7
3	Кристаллизация нечеткая, алит неопределенной формы, белит в виде округлых кристаллов с зазубренными краями	1,6	2,9
4	То же	1,3	2,5

Образцы 1 и 2 изготавливали из смеси цемент:песок при соотношении 6:2, а пробы 3 и 4 — при соотношении 6:4 (цемент:песок). Полученные данные легли в основу требований к клинкеру для изготовления портландцемента. Соответственно на заводе был организован микроскопический контроль оценки качества клинкера.

1.2. Влияние тонкости помола. Определение свойств пенобетона из цементов различной дисперсности позволило выявить эффективность использования высокодисперсного цемента. Помол цементов производили в пределах удельной поверхности SУД = 250–450 м2/кг. Лучшие результаты получены при использовании высокодисперсного цемента. Прочность образцов из цемента с удельной поверхностью 450 м2/кг в два раза превышает прочность пенобетона, полученного из цемента с удельной поверхностью, равной 250 м2/кг. Однако повышенная тонкость помола цемента приводит к быстрому загустеванию цементно–песчаной смеси. В этом случае полезным оказалось применение пластификатора смеси. Использование лигносульфонатов ЛСТМ в количестве 0,3 % от массы смеси позволило увеличить начало схватывания с 30 мин до 90 мин. Исходя из полученных данных, в технологический регламент производства цемента для получения пенобетона были включены показатели по тонкости помола и введению пластификатора.

1.3. Замена песка на доменный гранулированный шлак и её влияние на свойства пенобетона. Известно, что доменный гранулированный шлак обладает гидратационными свойствами в отличие от песка, который считается наполнителем. Испытывали пенобетон, полученный из смеси, в которой песок был заменен на доменный гранулированный шлак. При этом в процессе подготовки цементно–шлаковой композиции меняли соотношение компонентов и степень измельчения шлаковой составляющей (табл. 3).

Таблица 3. Прочность и плотность пенобетона при замене песка на шлак

№	Состав пенобетона, %		Прочность при сжатии, МПа		Плотность, кг/м3
	Цемент	шлак	3 сут	28 сут
1	80	20*	1.0	2.5	800
2	80	20**	2.5	3.5	780
3	80	20	2.0	3.0	700
4	70	30	0.8	3.0	700
5	50	50	0.5	2.8	700
6	40	60	0.3	2.2	715

* использовании песок для сравнительных испытаний

** шлак с удельной поверхностью 350 м2/кг

 

Испытания показали, что при тонком измельчении шлака получены высокие показатели по прочности образцов при одинаковой их плотности. Снижение степени измельчения шлака сопровождается уменьшением прочности образцов, но и в этом случае результаты по прочности выше, чем при использовании кварцевого песка. В целом установлено, что даже при введении в состав смеси до 60 % массы шлака, прочностные показатели пенобетона остаются удовлетворительными.

1.4. Предотвращение трещинообразования пенобетона. Известно, что пенобетон склонен к усадке после формования. Качественный пенообразователь предотвращает это явление, но полностью ее не решает. Поэтому в данной работе с этой целью был использован безусадочный цемент, получаемый совместным помолом портландцементного и сульфоферритного клинкеров и гипса (табл. 4).

Таблица 4. Свойства пенобетона на основе безусадочного цемента

Объемный вес, кг/м3	Состав пенобетона, %		Прочность, МПа	Расширение, %
	цемент	шлак
600	50	50	2,8	0,05
800	70	30	3,2	0,06
800	70	30*	0,8	0,05

* использован кварцевый песок

1.5. Процессы твердения пенобетона. Исследования процессов гидратации и твердения пенобетона сводятся к исследованию процессов, происходящих в смеси цемента с водой. Структура пенобетона состоит из пор различного размера и плотных межпоровых перегородок, прочность которых, в основном, и определяет величину прочности изделий.

В начальный период межпоровая перегородка состоит из грубодисперсных частиц и поровой жидкости, количество которой обусловливается водотвердым отношением. Процесс гидратации портландцемента на начальной стадии лимитируется скоростью химического взаимодействия минералов с водой и образованием на частицах минералов оболочек из гидратов. В этот период наблюдается образование тонких гексагональных пластинок Са(ОН)2, игольчатых и призматических кристаллов эттрингита и пластинок гидроалюминатов кальция. Гидросиликаты кальция составляют массу, называемую тоберморитовым гелем, формирующую малопроницаемую оболочку на зернах цемента, тормозящую реакции гидратации. В последующий период гидратации происходит разрыв оболочек, приводящий к ускорению гидратации цемента и выделению больших масс частиц коллоидного размера. С увеличением времени твердения образующиеся гидросиликаты приобретают форму тонких листков фольги и заполняют капиллярные поры. В результате перекристаллизации метастабильных кристаллогидратов в стабильные формируется кристаллический каркас межпоровой перегородки, прочность ее повышается. Чем быстрее протекают эти процессы, тем более прочной становится структура. Все факторы, способствующие быстрой гидратации цемента, и предопределяют формирование каркаса межпоровых перегородок. Наличие в составе цемента расширяющейся добавки способствует одновременно упрочнению перегородок и снижению усадки связи с быстрым образованием эттрингита при взаимодействии цемента с водой.

Заключение

Улучшение показателей свойств пенобетонов может быть достигнуто за счет применения специально подготовленных многокомпонентных композиций, содержащих быстротвердеющие, безусадочные цементы, активные минеральные добавки типа доменных гранулированных шлаков, химических добавок, в том числе порообразующих, водоредуцирующих, упрочняющих, микроармирующих и ускоряющих схватывание и твердение.

Библиографический список.

1. Лотов В. А., Митина Н. А. Влияние компонентов смеси на свойства неавтоклавного твердения // Сб. докл. Междунар. научно–техн. семинар «Нетрадиционные технологии в строительстве». 25–28 мая 1999 г. – Томск: ТАГСУ, 1999. – T. I. – с.94–98.

2. Сватовская Л. Б., Соловьева В. Я., Чернаков В. А. Получение монолитного пенобетона с учетом особенностей природы заполнителя. – Санкт-Петербург: ПГУПС, 2001.– T. I. – С. 103

3. Юдович Б. Э., Зубехин С. А. Пенобетон: новое в основах технологии // журнал «Техника и технология силикатов», 2007. – T. I. – С.14–24.