Неавтоклавный золо-цементный газобетон с химическими добавками.

Рассматривается технология производства неавтоклавного газобетона на основе высококальциевых зол ТЭЦ.

Производство неавтоклавных ячеистых бетонов, в том числе малыми предприятиями, — наиболее динамично развивающаяся сегодня отрасль стеновых материалов. Однако специфика технологии неавтоклавного газобетона требует применения молотого песка, а это часто не по силам малым предприятиям. Для решения данной проблемы наиболее актуальны разработки новых технологических приёмов использования в производстве неавтоклавных ячеистых бетонов минеральных промышленных отходов. Так, в качестве дополнительного сырьевого компонента может быть использована высококальциевая зола ТЭЦ.

Все предыдущие решения по разработке технологий неавтоклавных газобетонов на основе высококальциевых зол ТЭЦ от сжигания Канско-Ачинских углей были направлены на максимальное их введение в сырьевые смеси. Это приводило к неоправданно сложным и энергоёмким решениям (постоянное изменение дозировок и технологических режимов в соответствии с колебаниями свойств зол, обязательное пропаривание, иногда — помол компонентов или сушка изделий) [1–8]. Всё это не позволило широко внедрить предложенные технологии, особенно в условиях малых производств. В связи с этим становится актуальной задачей разработка технологии неавтоклавного газобетона на основе высококальциевых зол ТЭЦ, которая обеспечит получение материала со стабильно высокими строительно-техническими свойствами по технологии, не требующей пропаривания, помола и других, сложных для малых производств, переделов.

Для решения поставленных задач в исследованиях применялась высококальциевая зола ТЭЦ-3 (г. Барнаул), полученная при сжигании бурых углей КАБ в парогенераторах с жидким шлакоудалением. Золы отбирались с электрофильтров в разное время в 2003–2006 гг. Эти золы представляют собой обожжённую минеральную часть бурых углей Назаровского и Ирша-Бородинского разрезов Канско-Ачинского бассейна. Полученные в ходе исследования характеристики проб зол свидетельствуют о колебаниях их свойств в широком диапазоне. Так, очевидны колебания по срокам схватывания зол: начало схватывания изменяется в пределах от 5 до 50 мин, а конец — от 20 до 200 мин. Содержание свободного открытого CaO находится в пределах от 1,79 до 6,63 %, суммарной свободной извести — от 2,94 до 7,46 %, свободного MgO — от 0 до 4,5 %. Температурный эффект ранней гидратации золы ?Т изменяется от 2 до 7 оС, при этом время достижения максимальной температуры колеблется от 20 до 90 мин. Также в качестве вяжущего использовали портландцемент М400 Д20 Искитимского, Голухинского и Топкинского цементных заводов. В качестве мелкого заполнителя для производства неавтоклавного цементно-песчаного газобетона (без помола кремнезёмистого компонента) использовался речной песок с поймы реки Обь с Мкр = 1,2, содержанием илистых, глинистых и пылеватых частиц 5–6 %.

Газобетон на основе золо-цементной композиции менее чувствителен к значительным колебаниям состава и свойств золы, вследствие как разбавления, так и сдерживания деструктивных явлений прочным цементным камнем (межпоровая перегородка), а также пористой структурой материала. Для ослабления возможных деструктивных явлений, а также для ускорения темпов набора прочности и интенсификации процессов газовыделения, необходимо применять добавки, которые способны вступать в реакции обмена и присоединения с составляющими золо-цементной композиции с образованием щёлочи NaOH и структурно активных фаз AFt и AFm.

Наиболее распространённые и доступные добавки такого типа — это хлорид и сульфат натрия. Механизм действия этих добавок представлен следующим образом. Для них характерно то, что при взаимодействии с известью золы в присутствии алюминийсодержащих фаз портландцементного клинкера и высококальциевой золы должна происходить обменная реакция с образованием гидросульфо- и гидрохлоралюминатов кальция в виде фаз AFt и AFm.

nCaO + Ca3(AlO3)2 + 2nNaCl + (m + 1)H2O ? 3Ca3(AlO3)2•nCaCl2•mH2O + 2nNaOH,         (1)

nCaO + Ca3(AlO3)2 + nNa2SO4 + (m + 1)H2O ? 3Ca3(AlO3)2•nCaSO4•mH2O + 2nNaOH,       (2)

где n = 1 или 3; m = 10–12 или 30–32.

При этом будет ускоряться гидратация СаОсвоб золы, и высвобождаться в поровый раствор щёлочь NaOH.

На первом этапе работы было определено оптимальное водотвёрдое отношение, которое для золо-цементных составов было ниже на 5–10 % по сравнению с цементно-песчаным газобетоном. Использование высококальциевой золы вместо песка позволяет увеличить высоту вспучивания на 11 %, а применение химических добавок — ещё на 3–10 %, за счёт интенсификации процессов газовыделения в результате постепенного образования NaOH в обменных реакциях (1, 2), что позволяет регулировать процессы газовыделения и вспучивания массива. Кроме того, применение добавок позволяет сократить сроки схватывания массива за счёт дополнительного интенсивного синтеза фаз AFt и AFm, связывающих повышенное количество воды. Эти фазы обладают высокой скоростью роста и обеспечивают ускоренный набор структурной прочности бетона (рис. 1).

Рис. 1. Изменение пластической прочности газобетонного массива от вида сырьевой смеси

Примечание. ПЦ + П — цементно-песчаный газобетон (без помола кремнезёмистого компонента); ПЦ + БУЗ — цементно-зольный газобетон; ПЦ + БУЗ + NaCl — цементно-зольный газобетон с добавкой хлорида натрия; ПЦ + БУЗ + Na2SO4 — цементно-зольный газобетон с добавкой сульфата натрия.

Замедлённым структурообразованием обладает классический цементно-песчаный газобетон. Для него характерен медленный рост пластической прочности, составляющий к концу схватывания цемента (3 ч 50 мин) 0,75 Па, а через 8 ч — всего 1,8 Па, в то время как для кантования и резки массива газобетона необходимо, согласно СН 277-80, 2,5–3,0 Па (рис. 1).

Для золо-цементного газобетона также характерны замедленные темпы набора пластической прочности, хотя через 8 ч можно осуществлять распалубку и резку массива. При этом следует отметить, что через 1 сут. прочность золо-цементного газобетона выше, чем у цементно-песчаного, в среднем на 50 %. Применение химических добавок дополнительно увеличивают прочность ещё на 20–30 % (рис. 2). Ускоренное структурообразование и высокую прочность материала обеспечивают химические добавки NaCl и Na2SO4. Так, добавка Na2SO4 ускоряет нарастание пластической прочности золо-цементной системы на 18 %. Добавка хлорида натрия также сокращает сроки набора пластической прочности (на 10 %), хотя и в меньшей степени, чем сульфат натрия (рис. 1).

Рис. 2. Кинетика набора прочности при сжатии газобетона плотностью D700 от состава сырьевой смеси

Таким образом, применение высококальциевых зол и химических добавок позволяет регулировать свойства газобетона как на стадии созревания массива, так и при формировании ранней прочности.

Далее в ходе эксперимента было установлено, что марочная прочность всех золо-цементных бездобавочных составов выше на 31–61 %, чем у цементно-песчаного газобетона. Добавки хлорида и сульфата натрия значительно увеличивают как раннюю (от 5 до 155 %), так и позднюю (от 10 до 30 %) прочность (рис. 2). Если ранняя прочность бетона с химическими добавками возрастает главным образом за счёт быстрого накопления твёрдой фазы в виде фаз AFt и AFm, то поздняя — также и за счёт основной фазы — CSH, которая увеличивается в системе с Na2SO4.

В связи с тем, что зола ТЭЦ имеет состав и свойства, колеблющиеся в довольно широких пределах, необходимо было статистически проверить работоспособность оптимального состава для неавтоклавного газобетона, а также разработать методы, которые позволят прогнозировать его свойства и при необходимости изменять дозировки компонентов. С этой целью на 15 пробах буроугольных зол ТЭЦ-3 (отобранных в различное время с 2005 по 2006 гг.) были изготовлены блоки из газобетона, которые твердели при нормальных условиях (1, 3, 7 и 28 сут.). В результате проведённого эксперимента были установлены статистические изменения основных характеристик газобетона, таких как: средняя плотность готового газобетона, прочность при сжатии и изгибе, пористость, усадка, теплопроводность и морозостойкость.

Одним из основных свойств ячеистого бетона является средняя плотность ?. Эта характеристика предопределяет то или иное свойство материала. Установлено, что на плотность материала в наибольшей степени оказывают влияние следующие характеристики золы: свободный открытый оксид кальция CaOоткр, время достижения максимальной температуры ранней гидратации золы ? и её температурный эффект ?Т, сроки схватывания зольного теста нормальной густоты.

Все стеновые материалы, используемые для возведения стен зданий и сооружений, должны подвергаться испытанию на теплопроводность, которая для сухих газобетонов колеблется от 0,16 до 0,38 Вт/(м•оС) и находится в линейной зависимости от их средней плотности.

На рис. 3 представлено изменение коэффициента теплопроводности газобетона плотностью 700 кг/м3 в зависимости от вида и состава сырьевой смеси. Теплопроводность газобетона определялась методом стационарного теплового потока в бикалориметре.

Рис. 3. Изменение коэффициента теплопроводности в зависимости от состава сырьевой смеси газобетона

Известно, что величина коэффициента теплопроводности газобетона зависит не только от плотности материала, но и от составляющих компонентов. Так, использование немолотых песков в неавтоклавном газобетоне ухудшает его теплотехнические свойства в среднем на 30 % по сравнению с автоклавным и цементно-зольным газобетоном (рис. 3).

Результаты эксперимента показали, что теплопроводность неавтоклавного цементно-зольного газобетона колеблется в пределах 0,13–0,16 Вт/(м•оС) в зависимости от пробы золы ТЭЦ и средней плотности бетона. Однако определение этих коэффициентов занимает немало времени и требует дорогостоящей аппаратуры. Поэтому предлагается следующий способ оценки и прогнозирования теплопроводности. Для этой цели нами были построены зависимости между коэффициентом теплопроводности и характеристиками зол ТЭЦ, которые описываются регрессионным уравнением:

— коэффициент теплопроводности от оксида кальция свободного суммарного и насыпной плотности (R = 0,95):

? = –2,81 + 0,005•?нас + 0,05•СаОсумсв – (0,21e – 5)•?нас2 – (0,19e – 4)•?нас•СаОсумсв – 0,003•(СаОсумсв)2.            (3)

Известно, что существует связь между прочностью и средней плотностью ячеистого бетона, которая может выражаться через коэффициент конструктивного качества (ККК). ККК для неавтоклавного золо-цементного газобетона находится в пределах 5–9, для цементно-песчаного — 3,2, для классического автоклавного газобетона — 5,7.

Основными технологическими параметрами, определяющими прочность при сжатии и изгибе газобетона, являются активность золы (содержание в золе свободного оксида кальция, критерий ?Т), В/Т сырьевой смеси, а также сроки схватывания и ППП золы. В результате статистического анализа установлена степень влияния независимых переменных (свойства зол ТЭЦ) на прочность при сжатии и изгибе. При этом можно отметить то, что практически у всех установленных зависимостей она, как правило, непостоянна и изменяется во времени твердения газобетона. Установлены следующие основные корреляционные зависимости:

— прочности при сжатии (28 сут. нормального твердения) от теста нормальной густоты и оксида кальция свободного суммарного (R = 0,84):

Rсж = –8,65 + 0,89•СаОсумсв + 0,68•ТНГ – 0,026•(СаОсумсв)2 – 0,017•СаОсумсв•ТНГ – 0,012•ТНГ2;    (4)

— прочности при изгибе (28 сут. нормального твердения) от площади удельной поверхности и потерь при прокаливании (R = 0,73):

Rизг = –3,28 + 0,0027•ППП – 0,28•Sуд – (0,53e – 6)•ППП2 – (–0,95e – 4)•ППП•Sуд – 0,0024•Sуд2;    (5)

Как известно, наличие свободной извести в высококальциевой золе всегда приводит к деформациям расширения золосодержащих материалов. Применение химических добавок в зольных системах часто способствует более интенсивной гидратации свободной извести золы за счёт связывания её в обменных реакциях (1, 2).

Рис. 4. Изменение линейных деформаций во времени в зависимости от состава сырьевой смеси газобетона

В результате эксперимента было установлено (рис. 4), что линейные деформации усадки классического автоклавного газобетона средней плотностью 700 кг/м3 превышают 2 мм/м, которые вызваны, в основном, только влажностной и карбонизационной усадкой, так как контракционная усадка в данном случае исключается. Неавтоклавный цементно-песчаный газобетон также показал усадку в пределах 2 мм/м, а золо-цементный бездобавочный — деформации расширения, превышающие 3 мм/м из-за гашения свободной извести золы. Золо-цементный газобетон с химическими добавками после небольшой усадки в пределах 0,5 мм/м в месячном возрасте затем показывает стабилизацию собственных деформаций в пределах +1 мм/м. Несмотря на значительные колебания свойств золы ТЭЦ, золо-цементные образцы с химическими добавками характеризуются стабильными показателями собственной деформации. У всех составов удлинение находится в пределах 1–1,5 мм/м.

Одним из показателей долговечности бетона является его морозостойкость. Поэтому все сравниваемые газобетоны были подвергнуты попеременному замораживанию и оттаиванию в течение 35 циклов. В результате проведённого эксперимента установлено, что потеря массы и прочности как у контрольных (ПЦ + П, классический автоклавный газобетон), так и у золо-цементных ячеистых бетонов не превышают допустимые значения. Причём у составов золо-цементного газобетона с химическими добавками произошло увеличение прочности на 1,78–17,30 % по сравнению с исходными составами.

Для оценки экономической эффективности производства неавтоклавного газобетона были проведены сравнительные расчёты себестоимости 1 м3 золо-цементного материала с химическими добавками и цементно-песчаного газобетона. При этом плотность газобетона и расход составляющих компонентов брали с учётом обеспечения минимального класса по прочности при сжатии В1,5 (2,5 МПа). Так, для обеспечения минимальной прочности цементно-песчаного газобетона необходимо использовать материал плотностью 850 кг/м3, а для золо-цементного достаточно плотности D600. Удельный экономический эффект составил 204,2 руб. (17 %).

Определённый интерес представляет сравнение стоимости 1 м2 стены с коэффициентом термического сопротивления 3,2 (необходимого для Сибирского региона) из газобетонов указанных составов. Так, толщина стены для золо-цементного газобетона составляет 0,512 м (? = 600 кг/м3, ? = 0,16 Вт/(м•оС)), а для цементно-песчаного — 0,736 м (? = 850 кг/м3, ? = 0,23 Вт/(м•оС)). Удельный экономический эффект в этом случае составляет 548,5 руб. на 1 м 2 стены (37 %).

Таким образом, расчёт удельной экономической эффективности показал преимущества применения разработанного золо-цементного газобетона с химическими добавками по сравнению с классическим цементно-песчаным ячеистым материалом.

Результаты исследования по патенту № 2259975 внедрены на 16 малых предприятиях г. Барнаула и могут найти более широкое применение в Сибирском регионе.