Неавтоклавный пенобетон с применением гиперпластификатора

В статье приведены экспериментальное обоснование целесообразности использования гиперпластификаторов в производстве пенобетонов неавтоклавного твердения и результаты тестирования их различных типов.

В условиях перехода на монолитное и малоэтажное коттеджное строительство стеновые изделия из ячеистых бетонов являются реальной альтернативой другим стеновым теплоэффективным материалам. К преимуществам неавтоклавных пенобетонов можно отнести то, что они имеют закрытую пористость, более низкое водопоглощение, характеризуются сравнительно малыми затратами на производство. Неавтоклавный пенобетон со временем продолжает набирать свою прочность, в отличие от автоклавного.

Несмотря на все свои положительные качества, неавтоклавные пенобетоны характеризуются рядом недостатков, которые желательно устранить, или хотя бы уменьшить их влияние. Так, вследствие обязательного использования значительного количества пенообразователя (ПАВ) пенобетону присущи: замедленный (на 20–30 %) рост прочности; невозможность эффективного ускоренного подогрева сырца из-за разрушения пеномассы; проседание верхнего слоя залитого при формировании изделия (до 10 %); образование на поверхности изделий или массивов легко отслаиваемой корки, которая затрудняет дальнейшую отделку [8]. Кроме того, замедленное схватывание сырца приводит к изменению плотности по высоте изделия, что способствует развитию деструктивных процессов в массиве пенобетона. Следствием указанных факторов может стать существенный недобор прочности изделий в марочном возрасте (в 1,5–2 раза от значений, регламентированных ГОСТ 21520 [3] для определенных плотностей).

Повышение основных физико-механических свойств неавтоклавного пенобетона, снижение себестоимости продукции и, в конце концов, общая рентабельность производства прямо связаны с технологическими особенностями получения качественного поризованного строительного материала.

Основное влияние на прочность пенобетона оказывает прочность межпоровых перегородок. Рассматривая межпоровые перегородки ячеистого бетона с позиций бетоноведения, приходится учитывать отрицательное влияние на их прочность избыточного количества воды затворения. Поэтому одним из главных путей увеличения прочности межпоровых перегородок является снижение водотвердого (водоцементного) отношения, которое ведет к уменьшению капиллярной пористости материала и повышению его прочности.

В практике производства различных видов бетона обосновано применение пластификаторов, позволяющих повысить подвижность бетона без увеличения количества свободной воды. Однако применение распространенных пластифицирующих добавок в производстве ячеистого бетона часто сдерживается их отрицательным влиянием на процессы поризации, а также на стойкость пены.

В последние годы для цементных бетонов и растворов разработан ряд эффективных суперпластификаторов на основе поликарбоксилатных полимеров [6]. Эти суперпластификаторы позволяют обеспечить получение качественно нового эффекта (из-за чего их выделяют в группу так называемых гиперпластификаторов) и снизить водопотребность цементных систем на 25–30 % и более.

Вопрос возможности применения подобных добавок в технологии ячеистых бетонов изучен недостаточно.

Целью наших исследований было установление количественного и качественного влияния гиперпластификаторов на основные свойства пенобетона.

В исследованиях использовались портландцемент М500 ІІ типа Здолбуновского цементного завода; пенообразователь ПО-6К (ПАВ, представитель алкилароматических сульфокислот), гиперпластификаторы Melflux 2651F и 1641F, С-3, ЛСТ, релаксол, К-5 (комплексный пластификатор — ускоритель твердения), Melment F10 (универсальный суперпластификатор SKW Polymers), Sikament 400/30 (суперпластификатор компании Sika).

Результаты опытов приведены в табл. 1. Состав пенобетонной смеси подбирали из расчета получения пенобетона марки Д500. Концентрация раствора пенообразователя 2 %. Кратность пены 15–16. Водопотребность смеси контролировали по расплыву на приборе Суттарда (расплыв конуса составлял 160 ±10 мм). Приготовление пены для оценки показателей ее стабильности и коэффициента стойкости осуществлялось миксером в лабораторных условиях. Пенобетонную смесь получали по раздельной двухстадийной схеме.

Анализ данных табл. 1 и рис. 1 показывает, что при использовании исследуемых материалов большинство пластификаторов отрицательно влияют не только на качество пенобетона, но и на процесс его приготовления:

– Пластификаторы К-5, Релаксол, Melment затрудняют процесс образования пены из раствора пенообразователя, а при добавлении их в приготовленную пену структура последней довольно быстро разрушается.

– Пластификатор Sika не разрушает структуры пены, но и не обеспечивает стойкости пенобетонной смеси, в результате она разрушается за короткий промежуток времени.

– Пластификаторы С-3, ЛСТ позволяют уменьшить водоцементное отношение, обеспечить (частично) стойкость пенобетонной смеси, но при этом изделия имеют неравномерную рыхлую крупнопористую структуру и невысокую прочность.

Вид пластификатора	Содержание добавки, % от массы цемента	Стабильность пены, мин	Коэффициент стойкости пены в растворе (max значение)	Стойкость пенобетонной смеси*	Макроструктура пенобетона	В/Ц
Без добавки	–	45–50	0,9	Стойкая	Мелкопористая, нечеткая	0,62–0,66
ЛСТ	0,4–1,2	10–20	0,65	Стойкая	Рыхлая, крупнопористая	0,56–0,6
С-3	0,3–1,0	25–30	0,8	Частично	Рыхлая, крупнопористая	0,50–0,53
К-5	0,5–1,5	Пена разрушается
Релаксол	0,5–1,0	Пена разрушается
Melment	0,2–1,0	Пена разрушается
Sika	0,5–1,5	15–25	0,7	Нестойкая	–	–
Меlflux 1641	0,1–1,0	45–50	0,92	Стойкая в пределах до 0,6%	Мелко- и среднепористая, четко выражена	0,46–0,53
Меlflux 2651	0,1–1,0	45–50	0,95	Стойкая в пределах до 0,6%	Мелко- и среднепористая, четко выражена	0,45–0,50

* Стойкость пенобетонной смеси оценивалась по ее способности сохранять свой первоначальный объем в форме до момента начала схватывания цемента.

Таблица 1. Влияние пластифицирующих добавок на качественные показатели пенобетонной смеси

Рис. 1. Зависимость прочности пенобетона от вида и содержания применяемого пластификатора

Из всех исследуемых пластифицирующих добавок наилучший результат показали гиперпластификаторы Меlfluх. Их применение позволяет получать достаточно стабильную пену (до 50 мин), а коэффициент стойкости в растворе достигает 0,95. Как известно [1], получаемую техническую пену можно считать удовлетворительной, если значения ее коэффициента стойкости (С) находятся в пределах от 0,8 до 0,85, а качественной — при С = 0,95. Таким образом, использование указанных добавок даже несколько улучшает коэффициент стойкости по сравнению с обычной пеной.

Следует также отметить, что с использованием добавок Меlfluх становится возможным достижение достаточно стойкой структуры пенобетонной смеси, а также значительного уменьшения водоцементного отношения, что приводит к уплотнению межпоровых перегородок и повышению прочности пенобетона в целом. Гиперпластификатор Меlfluх 2651F незначительно превышает по степени влияния пластификатор 1641 F.

Причина таких особенностей действия гиперпластификаторов Меlfluх может заключаться в принципиальном отличии их строения от других исследуемых пластификаторов. Традиционные, всем известные пластификаторы (ЛСТ, С-3, Melment F10) представляют собой полианионные поверхностно-активные вещества. Принцип действия таких пластификаторов — электростатическое диспергирование — состоит в сильном сдвиге x-потенциала частиц цемента в отрицательную область [2]. Действие пластификаторов типа Melflux основано на совокупности электростатического и стерического (пространственного) эффектов, которые достигаются с помощью боковых гидрофобных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира. За счет этого водоредуцирующее действие таких пластификаторов в несколько раз более сильное, чем обычных.

Для гиперпластификатора Меlfluх характерно положительное влияние на формирование оптимальной ячеистой структуры. Известно, что при преобладании в структуре пенобетона мелких пор (>0,5 мм) ячеистая структура отличается большей сообщаемостью отдельных ячеек и становится близкой к крупнокапиллярной; в целом это приводит к падению прочности ячеистого бетона [5]. При крупнопоровом (>3–4 мм) строении большее значение приобретают масштабный фактор и неоднородность порового состава ячеистого бетона, которые также приводят к снижению прочности. Оптимальные размеры пор ячеистого бетона, по мнению авторов [5], находятся в диапазоне 0,315–1,25 мм, тогда как в большинстве случаев реальный максимальный размер пор в пенобетоне — 1–2 мм [4].

При анализе макроструктуры исследуемых пенобетонов нами отмечено, что поры пенобетона с добавкой гиперпластификатора имеют форму близкую к сферической. Они имеют разные размеры и благодаря этому максимально заполняют структуру бетона. В то же время диаметры пор, как видно из рис. 2а, близки к оптимальным значениям, определенным в [5]. Межпоровые перегородки имеют достаточную толщину для обеспечения изоляции пор и обеспечения достаточной прочности структуры. Пористая структура пенобетона без использования гиперпластификатора (рис. 2б) характеризуется значительной неоднородностью: поры существенно деформированы, неравномерно расположены, межпоровые перегородки имеют б?льшую толщину, местами имеются скопления.

Рис. 2. Пористая структура пенобетона: а) с использованием гиперпластификатора Melflux 2651F (содержание 0,4 % от массы цемента), б) обычный пенобетон

Таким образом, влияние гиперпластификатора Melflux на формирование структуры пенобетона явно коррелирует с результатами, приведенными в табл. 1. Этот важный вывод подтверждает, что структура оказывает определяющее влияние на свойства ячеистого бетона.

Для нахождения оптимального содержания гиперпластификатора проведен ряд прямых опытов на пенобетонной смеси постоянного состава, приведенного выше, с варьированием содержания добавки от 0 до 1 % по массе.

По результатам опытов получены зависимости (рис. 3), из которых вытекает, что при изменении содержания добавки Melflux в пределах от 0 до 0,4 % отмечается значительный рост Ц/В (почти в 1,5 раза при неизменном расплыве смеси) при одновременном стремительном росте прочности пенобетона на сжатие (более чем в 2,5 раза).

Рис. 3

Увеличение расхода добавки до 0,6 % приводит к ухудшению некоторых показателей смеси, в частности ее стойкости, ведущему за собою снижение прочности.

Дальнейшее увеличение расхода гиперпластификатора приводит к полному разрушению структуры пенобетонной смеси, что можно объяснить недостатком свободной воды в системе «раствор — пена», ведущего к снижению стойкости пены в смеси. Оптимальным содержанием гиперпластификатора Melflux 2651F в пенобетоне можно считать 0,2–0,4 % от массы цемента.

Гиперпластификатор 1641F в целом показывает близкие результаты, незначительно уступая по абсолютным показателям конечной прочности пенобетона.

Для более детального изучения влияния гиперпластификатора Меlflux 2651F в указанном диапазоне содержания был реализован двухфакторный план эксперимента второго порядка (В2) [7]. В качестве факторов планирования принимали: расход цемента (Х1 = 400 ±30 кг/м3) и расход гиперпластификатора (Х3 = 0,2 ±0,2 % от массы цемента). Другие условия эксперимента соответствовали предыдущим исследованиям.

Ниже приведены математические модели (в кодированных переменных) прочности на сжатие и средней плотности образцов пенобетона, твердевших на протяжении 28 сут.

Прочность на сжатие [МПа]:

.

Средняя плотность [кг/м3]:

.

Анализ полиномиальных моделей позволил уточнить изменение прочности пенобетона в диапазоне расходов гиперпластификатора 0,2–0,4 %. В частности, установлено, что влияние добавки на прочность проявляется более ощутимо при высоких расходах цемента, а кроме того, удвоение количества добавки дает прирост прочности лишь на 10–20%. Такие данные позволят рациональнее проводить подбор состава пенобетона, руководствуясь критерием эффективности использования добавки.

Средняя плотность пенобетона несколько возрастает при изменении расхода гиперпластификатора от 0 до 0,2 %, а при увеличении до 0,4 % — начинает уменьшаться за счет дополнительного вовлечения воздуха в процессе перемешивания и увеличения размера пор, что зафиксировано экспериментально.

Таким образом, применение гиперпластификаторов в технологии неавтоклавного пенобетона может стать эффективным технологическим решением, позволяющим получать теплоизоляционный пенобетон, полностью отвечающий требованиям действующих нормативных документов.

Литература:

1. Большаков В. И., Мартыненко В. А. Необходимые свойства пенообразователей для производства пенобетона // Вопросы химии и химической технологии. — 2001. — № 1. — С. 25–30.

2. Василик П. Г., Голубев И. В. Особенности применения поликарбоксилатных гиперпластификаторов Melflux // Материалы конференции «Baltimix-2003». — 2003. — С. 37–42.

3. ГОСТ 21520. Блоки из ячеистых бетонов стеновые мелкие. Технические условия.

4. Иваницкий В. В., Сапелин Н. А., Бортников А. В. Теоретические и практические аспекты оптимизации структуры пористых бетонов // Строительные материалы. — 2002. — № 3. — С. 32–33.

5. Королев А. С., Волошин Е. А., Трофимов Б. Я. Оптимизация состава и структуры конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона // Строительные материалы. — 2004. — № 3. — С. 30–32.

6. Нестаев Г. В. Эффективность применения суперпластификаторов в бетонах // Строительные материалы. — 2006. — Октябрь. — С. 23–25.

7. Рекомендации по применению методов математического планирования эксперимента в технологии бетона. — М.: НИИЖБ, 1982.

8. Усов Б. А., Багров Б. О. Ячеистые бетоны с химическими и редиспергирующими добавками // Популярное бетоноведение. — 2008. — № 1. — С. 56–60.