Активация – путь улучшения свойств неавтоклавного пенобетона

Прочностные характеристики неавтоклавных пенобетоновсущественно уступают автоклавным газосиликатам, что несколько сдерживает ихраспространение. Это связано в первую очередь с тем, что процессы гидратацииавтоклавных пенобетонов в условиях автоклавной обработки протекают полностью ипродукты гидратации (в основном это тоберморитоподобные гидросиликаты кальция)термодинамически устойчивы при нормальной температуре и практически нерастворимы в воде.

Процессы гидратации неавтоклавных пенобетонов не завершаютсядаже к 28 суткам, а продукты гидратации не все устойчивы при нормальнойтемпературе и не растворимы в воде. В частности, в результате гидратацииклинкеробразующих минералов в течение года выделяется до 24,4% [см. Тейлор Х.Химия цемента / Пер. с англ. – М.: Мир, 1996. – 560 с.] гидрооксида кальция,который растворим в воде и неустойчив при нормальной температуре. Вследствиеуказанных причин неавтоклавные пенобетоны подвержены всем видам цементнойкоррозии и имеют более низкую прочность, чем автоклавные газосиликаты. В работе[см. Михеенков М.А., Плотников Н.В., Лысаченко Н.С. Кинетика тверденияцементных безавтоклавных пенобетонов в присутствии силиката натрия //Строительные материалы. – 2004. № 3. С. 35 – 42] нами указывалось, что дляповышения прочностных свойств неавтоклавных пенобетонов целесообразно связыватьвыделяющийся гидрооксид кальция в другие, более прочные и водостойкиесоединения, например кальцийнатриевые гидросиликаты. В этой же работеобращалось внимание на то, что связывание гидрооксида кальция целесообразнопроводить на начальной стадии гидратации портландцемента. Но связать его весьневозможно, поскольку указанное выше количество гидрооксида кальция выделяетсяза год. Следовательно, в технологии следует предусмотреть воздействие напроцессы гидратации портландцемента, обеспечивающие их ускоренную гидратацию.

В соответствии с классическими представлениями о гидратациипортландцемента

[см. Бутт Ю.М. Технология цемента и других вяжущих веществ.– М.: Стройиздат, 1964. – 352 с.: ил.] образование кристаллогидратов носитсмешанный характер, то есть одновременно протекают топохимические игетерогенные реакции. Поскольку при гидратации портландцемента гетерогенныереакции протекают одновременно с топохимическими, суммарная скорость протеканияреакции гидратации зависит от двух факторов – от растворимостиклинкеробразующих минералов (топохимический фактор), концентрации компонентовреакции и наличия центров кристаллизации (гетерогенные факторы). Конечнаяскорость протекания реакции гидратации зависит от того, какой фактор являетсялимитирующим. Если клинкеробразующие минералы плохо растворяются, то скоростьреакции контролируют топохимические факторы, а если концентрация продуктовгидратации не достигает пресыщения и недостаточно центров кристаллизации, тоскорость реакции контролируется гетерогенными факторами.

Ускорить протекание реакции гидратации портландцемента можноза счет механической активации клинкеробразующих минералов в водной среде. Приэтом существенно ускоряется растворимость зерен клинкера, быстрее наступаетпресыщение раствора, больше выделяется гидрооксида кальция и образуется многоцентров кристаллизации. Однако собственно ускорение реакции протеканиягидратации клинкеробразующих минералов не является необходимым и достаточнымусловием для формирования прочных структур при твердении портландцемента.Необходимо, чтобы ускоренная гидратация протекала одновременно с процессамиформирования высокопрочной структуры.

Это достигнуто нами за счет механохимической активации,которая осуществляется путем механической активации цементной суспензии вприсутствии неорганической добавки, а одновременно с механической активацией вцементную суспензию вводится полимерный модификатор. При подобной обработке, засчет взаимного трения зерна клинкера ускоренно растворяются, а выделяющийся приэтом гидрооксид кальция взаимодействует с неорганической добавкой, образуябольшое количество центров кристаллизации, срастанию которых, формируя мелкокристаллическуюструктуру, препятствует полимерный модификатор.

В процессе механической активации цементной суспензиипроисходит соударение частиц цемента и сдирание их поверхностных слоев за счетвзаимного трения. Поскольку поверхностные слои цемента уже началигидратироваться, сдирание поверхностных слоев происходит легче, чем у сухогоматериала. Данные процессы подчиняются законам диффузии и описываются известнымуравнением [см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. – Киев: Вища школа, 1975.С. 95]:

(1)

где – количество вещества, растворяющегося вединицу времени в единице объема;

D – коэффициент диффузии; S – величина поверхностирастворяющегося вещества;

С1– концентрация насыщенного раствора; С –фактическая концентрация в данный момент; ? – толщина диффузионного слоя.

В данной формуле все параметры, влияющие на интенсивностьрастворения цементного клинкера, определены либо свойствами цемента (удельнаяповерхность S), либо температурой среды (коэффициент диффузии D). Единственнымпараметром, при помощи которого можно управлять процессом, является толщинадиффузионного слоя, зависящая от интенсивности перемешивания среды (или, инымисловами, от скорости относительного перемещения частиц среды). При увеличениискорости относительного перемещения частиц толщина диффузионного слояуменьшается, а интенсивность растворения увеличивается. Следовательно, должнанаблюдаться прямая зависимость интенсивности растворения от скоростиперемещения. На это же указывают теоретические изыскания автора, приведенные в[см. Михеенков М.А. Особенности механической активации гипса в условияхдинамического прессования // Электронный журнал “Исследовано в России”. 2004 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/127.pdf].

Для определения влияния скорости относительного перемещениячастиц среды на свойства материала на основе активированной суспензииосуществляли варьирование скорости вращения лабораторного смесителя ипродолжительности перемешивания. Испытания проводили при помощи методовпланирования экспериментов. Для проведения эксперимента применялсяортогональный план варьирования двух факторов на трех уровнях. В качествепервого фактора рассматривалась линейная скорость рабочего органа, а в качествевторого – продолжительность перемешивания. Скорость вращения рабочего органаварьировалась от 5 до 15 м/с, продолжительность перемешивания – от 0 до 10минут. В качестве функции отклика рассматривалась прочность цементной суспензиичерез 28 дней.

В условиях проведения эксперимента с увеличением частотывращения рабочего органа прочность увеличивается линейно, что согласуется стеоретическими выводами. При увеличении продолжительности перемешиванияпрочность суспензии сначала увеличивается до максимального значения, а затемснижается. Оптимальным режимом обработки следует считать продолжительностьактивации 5 минут, а линейную скорость – максимально возможную в данном типеперемешивающего устройства.

После испытаний, описанных выше, проводились эксперименты пополучению пенобетона путем введения пены после активации суспензии. Результатыиспытаний показали, что при оптимальных режимах активации суспензия сильноразогревается и густеет. Для достижения нормальной консистенции приходится ееразбавлять, что сводит на нет результаты механической активации. Очевидно, этосвязано с тем, что при интенсивной механической активации очень быстро достигаетсяпресыщение раствора и начинается кристаллизация новообразований цемента,которая приводит к загустеванию смеси. Выделяющееся при ускоренной гидратациитепло разогревает смесь, при этом коэффициент диффузии увеличивается, что такжеприводит к ускоренному растворению и кристаллизации новообразований.

Для ликвидации данного недостатка был подобран комплексныйполимерный модификатор. Результаты испытаний при оптимальных режимах обработкипоказали, что в процессе активации смесь не только не густеет, а, наоборот,разжижается, что позволило снизить В/Ц соотношение у суспензии до 0,32.Активированная суспензия с полимерным модификатором хорошо смешивается с пенойи разливается по формам. Температура смеси в момент разлива за счетмеханической активации достигает 70оС. Петрографический анализобразцов показал, что полимерный модификатор блокирует большое количествоцентров кристаллизации, образовавшихся при активации, не позволяет имразрастаться и формирует мелкокристаллическую структуру, что существенно повышаетпрочностные свойства суспензии. Приготовленный подобным образом пенобетон приплотности 600 кг/м3 достигал прочностных показателей 3,5 – 4,0 МПа.

Разработанный способ и устройство для его реализациизащищены заявкой, на которую получено положительное решение о выдаче патентаРоссийской Федерации. На рисунке 1 приведен общий вид устройства для реализацииспособа, а в таблице – его технические характеристики.

Таблица. Технические характеристики установки БС-0.25

Показатель	БС-0.25
Емкость бака-смесителя, л	250
Производительность, м3 пенобетона в час	2,0
Выход пенобетона с одного замеса, м3	0,25
Давление воздуха, необходимое для работы установки, МПа	До 0,25
Расход воздуха от компрессора, не менее, л/мин	200
Электропитание	трёхфазная сеть 380В, 50 Гц
Установленная мощность (без учёта компрессора), кВт	5,5
Общая масса, кг	350
Габаритные размеры, мм	1200*1200*1800

Разработанное устройство позволяет реализовать данный способкак по баросмесительной технологии, так и с раздельным введением пены.

Осуществляемая подобным образом механохимическаяактивация позволяет ускорить набор прочности пенобетона и повысить егофизико-механические свойства.