Пенобетон пониженной плотности

Рассматривается технология механической активации цементных систем с целью улучшения свойств неавтоклавных ячеистых бетонов.

В последние годы во многих регионах страны наблюдается заметный рост производства пенобетона неавтоклавного твердения. В 2003 г. на 40 заводах выпускалось 1,4 млн. м3 автоклавного ячеистого бетона, а на 200-х установках — 600 тыс. м3 неавтоклавного бетона. К 2020 г. предполагается увеличить производство обоих видов бетона более чем в 10 раз. Поэтому ставится задача улучшить свойства неавтоклавных ячеистых бетонов, в частности, получить прочностные показатели, сравнимые с показателями автоклавных ячеистых бетонов.

Одним из путей улучшения свойств является механическая активация цементных систем. О проводимых в этой области исследованиях на кафедре «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Кубанского государственного технологического университета (г. Краснодар) мы попросили рассказать руководителя кафедры, кандидата технических наук, профессора Виктора Фёдоровича Черных.

ТД: — В связи с чем возникает необходимость в механической или химической активации?

ВЧ: — Дело в том, что для пенобетона не производятся специальные цементы. Да, они удовлетворяют строительным нормам, удовлетворяют ГОСТу, но для получения ячеистого бетона необходимо, чтобы сроки схватывания цемента были минимальные. А, как правило, начало схватывания — 2–3 часа. Но для пенобетона нужно, чтобы система быстрее набирала прочностные показатели, иначе пена начинает разрушаться, и в это время необходимо, чтобы цементная система приобрела определённую пластическую прочность. Поэтому при получении особенно лёгких ячеистых бетонов с пониженной плотностью приходится применять активацию цемента или применять совместную механическую и химическую активации. Это характерно не только для цемента лежалого, пониженной плотности, но и для цемента высокой марочной прочности, в частности, марки 600, потому что частички цемента очень мелкие и они имеют возможность, благодаря своей поверхностной активности, слипаться в комочки, образовывая так называемые флоккулы, что понижает эффективность использования вяжущего вещества.

О том, что механическая активация положительно действует на последующие свойства цемента, известно давно, но в приложении к ячеистому бетону изучено это свойство недостаточно. И даже небольшое время активации позволяет улучшить свойства. Механическая активация позволяет не только увеличить удельную поверхность вяжущего вещества, но и изменить структуру поверхности частиц, то есть произвести её аморфизацию. На наш взгляд, в активаторах без мелющих тел второй фактор должен преобладать, поскольку в этом случае изменение удельной поверхности будет гораздо меньше по сравнению с активацией в шаровых мельницах и вибромельницах. Предварительными исследованиями было установлено, что эффект механической активации зависит от минералогического состава цемента, в частности, он увеличивается в случае высокоалюминатных цементов. Поэтому низкоалюминатные цементы, например, Новороссийских цементных заводов, менее подвергались систематическому экспериментальному исследованию с целью ускорения набора прочности в ранние сроки.

По данным НИИЖелезобетона более эффективна мокрая активация цемента (по сравнению с сухим домолом) при водоцементном отношении более 0,5. Видимо, это обстоятельство было сдерживающим фактором широкого применения механической активации для тяжёлых бетонов, когда при увеличении количества воды затворения (тем более при использовании влажных заполнителей) сверх определённого предела наблюдается расслоение смеси и понижение прочности, особенно в ранние сроки.

При изготовлении ячеистых бетонов, особенно пенобетона, высокая водопотребность пенобетонных смесей не только не вредна в отношении расслоения смеси при избытке влаги, а наоборот желательна (особенно при получении бетона с низкой средней плотностью. В этом случае не происходит отсос воды из пены, повышается стабильность пенобетонной массы, улучшаются свойства готового изделия. В то же время активация цемента или цементно-песчаного раствора при В/Ц более 0,5 целесообразна и в технико-экономическом отношении: облегчается выгрузка и транспортировка суспензии и снижается расход электроэнергии, поскольку вода обеспечивает снижение прочности обрабатываемого материала. Целесообразность мокрого домола вяжущего вещества при повышенном водоцементном отношении показана и в работах других исследователей. Так, И. Н. Ахвердов отмечал, что воздействие различных механических колебаний ускоряет процессы пептизации и способствует увеличению количества гидратированных частиц, лучшему использованию цемента. В этом случае устраняется один из недостатков бетонов, полученных по обычной технологии, когда часть цементных зёрен остается в качестве наполнителя, а не вяжущего.

Из практики известно, что портландцемент, особенно повышенной активности, склонен к агрегированию и образованию флоккул, что приводит к неполному использованию всех его потенциальных свойств. Можно полагать, что дополнительная активация цемента, особенно с добавкой кварцевого песка, позволит избежать образования флоккул, а также улучшить качество поверхности частиц заполнителя в результате разрушения поверхностных неактивных слоев.

Несмотря на кажущуюся простоту изготовления пенобетонных блоков, на практике встречаются трудности с получением материала средней плотности (400 кг/м3 и ниже) с достаточной прочностью. Поэтому на кафедре производства строительных изделий и конструкций КубГТУ (г. Краснодар) проведена работа с целью улучшения показателей неавтоклавного пенобетона.

ТД: — Как проводилось исследование?

ВЧ: — Проведённые на кафедре исследования показали возможность положительного влияния механической и химической активации на свойства пенобетона. В качестве добавок применяли ускорители твердения совместно с пластифицирующими добавками. Для исследований применили лабораторный активатор объёмом 6 л, который изготовил к. х. н. А. Ф. Маштаков. Вращающие части расположены таким образом, что частицы смеси претерпевают максимальное количество соударений в единицу времени, а сама смесь задействована полностью при отсутствии так называемых «мёртвых» зон в её объёме. Скорость вращения вала составила 1000 об./мин.

В качестве вяжущего вещества применяли портландцемент М500 Новороссийского завода «Пролетарий». В качестве пенообразователя использовали пенообразователи ПО-ПБ-2000 (г. Иваново) и ПО-ПБ-1 на основе вторичных алкилсульфатов натрия, разработанный сотрудниками ОАО «Новочеркасский завод синтетических продуктов» при участии сотрудников кафедр физики и производства строительных изделий и конструкций КубГТУ, а также смесь указанных пенообразователей. По химическому составу ПО-ПБ-1 является синтетическими углеводородным. В основе его производства — отечественное сырьё, изготавливаемое на этом же предприятии. Для этого пенообразователя характерна экологичность (высокая биоразлагаемость), однако устойчивость пены в цементной системе недостаточно высока. Пенообразователь же ПО-ПБ-2000 даёт устойчивую во времени пену, однако тормозит процесс взаимодействия цемента с водой в ранние сроки твердения.

ТД: — И каковы результаты опытов?

ВЧ: — Проведённые в лаборатории кафедры опыты показали, что применение смеси пенообразователей улучшает стойкость пены в цементном тесте и предел прочности при сжатии. С учетом полученных результатов для дальнейших исследований была использована смесь указанных пенообразователей в соотношении 1:1.

Наилучшие показатели прочностных свойств и коэффициента конструктивного качества получены в диапазоне от 4 до 8 минут активации.

Можно предположить, что за счёт механической активации цементной или цементно-песчаной суспензии происходит более полная гомогенизация и увеличение поверхностной энергии компонентов, что, в основном, определяется увеличением активных адсорбционных центров. Наблюдаемая в экспериментах тенденция к повышению активности обрабатываемых материалов и увеличению прочностных свойств пенобетона до определённого предела времени активации объясняется тем, что количество адсорбционных центров при данном способе обработки перестаёт изменяться. Поэтому увеличение времени активации более чем до 6–8 минут является нецелесообразным как с технологической, так и с экономической точки зрения. Применение механической активации в лабораторных условиях позволило увеличить прочностные показатели пенобетона на 20–25% в 28-мисуточном возрасте.

При сочетании механической и химической активации (при добавке химических веществ — ускорителей твердения, например, реламикса) наблюдается ещё больший рост прочностных показателей и коэффициента конструктивного качества. Можно получить пенобетонные изделия неавтоклавного твердения с прочностными показателями, характерными для автоклавных ячеистых бетонов. Кроме этого химическая активация способствует получению устойчивой пенобетонной системы, что особенного важно при изготовлении пенобетонных изделий с пониженной средней плотностью менее 300 кг/м3.

Данные лабораторных исследований успешно апробированы в производственных условиях на технологической линии по производству неавтоклавного пенобетона, разработанной и внедрённой при активном участии инженера С. А. Бузунова. Особенностью этой линии, используемой для получения пенобетона различной средней плотности, начиная с плотности 250 кг/м3, является установка для предварительной активации цементной или цементно-песчаной суспензии, а также наличие оригинального резательного комплекса для ячеистобетонного массива.

ТД: — Какова производительность установки?

ВЧ: — Установка рассчитана на производительность 5 м3/ч ячеистого бетона, а мощность электродвигателя составляет всего 2,2 кВт. С увеличением производительности активатора мощность электродвигателя должна быть соответственно увеличена. В нижней части смесителя расположен приводной вал с закреплённым на нём диском с прорезями. Вал вращается со скоростью 3000 об./мин, что позволяет создать турбулентный режим перемешивания и за несколько минут получить гомогенизированную активированную суспензию, не содержащую комочков (флоккул). Активатор снабжён тензодатчиками, обеспечивающими подачу в него заданного количества компонентов с высокой точностью.

Применение смесителя, выполняющего функции перемешивания и активирования смеси, и тензовесового терминала, обеспечивающего высокую точность дозировки компонентов (±0,4%), позволяет упростить процесс производства и получить изделия со средней плотностью менее 250 кг/м3 с расходом цемента 170–200 кг/м3. Этому способствует также дополнительный бункер с питателем для фиброволокна, которое уменьшает осадку пенобетонной смеси, и установка с распиловочными цепями, обеспечивающая получение блоков правильной геометрической формы при их относительно невысокой прочности.

Производство такого лёгкого ячеистого бетона со средней плотностью ниже, чем по ГОСТу, выгодно не только с той точки зрения, что, чтобы соответствовать нормам по теплозащите, повышаются теплозащитные свойства и уменьшается толщина изделия, но и экономически выгодно производителям. Потому что расход цемента очень небольшой — 170–200 кг/м3.

А при более высокой плотности расход увеличивается до 400 кг/м3. Стоимость цемента является превалирующей в себестоимости ячеистого бетона. А отпускная цена примерно одинакова 2000–2300 руб./м3. Себестоимость здесь составляет 1200–1300 руб. Выгодно и строителям, так как при малой толщине обеспечиваются хорошие теплозащитные свойства. Пока время использования этой установки небольшое, но уже доказано, что можно получать лёгкие ячеистые бетоны с применением цемента марки 600 новороссийских заводов и использованием в качестве добавки фиброволокна. Это позволяет улучшить свойства и готового пенобетона. Правда, необходима положительная температура +15–16 °С, не ниже. Иначе происходит оседание пенобетонной массы в массиве. Хочется отметить, что всё оборудование можно легко изготовить и наладить производство пенобетона пониженной плотности.

На рис. 1 приведена схема линии для производства пенобетонных изделий, а на рис. 2 — схема узла разрезки.

Линия состоит из бункеров (1), (2) и (3), ёмкости для воды (4), которые через питатели (5),(6) и (7) вяжущего, заполнителя и фиброволокна и устройства для дозировки воды или химических добавок — клапана (8) связаны с активатором (9), содержащим опоры (10), обечайки (11), тензодатчики (12), приводной вал (13) с диском (14) и электродвигатель (15) пеногенератора (16), который связан с насосом для подачи раствора пенообразователя (17), ёмкостью раствора пенообразователя (18) и воздушным компрессором (19), а также пенобетоносмесителем (20). Кроме того, технологическая линия включает пост заливки массива (21), пост выдержки (22), устройство для поперечной и продольной разрезки массива (23) и пост твердения изделий, на котором блоки укрываются для сохранения тепла, выделяемого при твердении цемента, что позволяет обойтись без специальных устройств для тепловой обработки изделий.

Установка для поперечной разрезки массива (23) (рис. 2) состоит из платформы для пенобетонного массива (24), распиловочных цепей (25), быстроходных двигателей резки (26), рамы (27), пульта управления (28), толкателя (29), тихоходного двигателя (30).

Аналогичным образом устроена установка для последующей продольной разрезки, которая расположена под прямым углом к установке для поперечной разрезки.

Линия работает следующим образом. В активатор (9) поступает вода через клапан (8). После заданного количества воды датчики подают сигнал на закрытие клапана (8). Затем включается электродвигатель (10), приводя в движение вал (13) с диском (14), а через питатели (5), (6) и (7) в активатор последовательно загружается цемент и, при необходимости, песок и фиброволокно, а тензодатчики подают сигнал на остановку соответствующих питателей после загрузки в активатор заданного количества компонентов. Поскольку расход фиброволокна очень мал, его можно дозировать вручную. Вал смесителя вращается со скоростью не менее 3000 об./мин, что обеспечивает быструю гомогенизацию смеси за счёт её турбулизации, активацию составляющих смесь путём создания активных центров на поверхности частиц и дополнительной диспергации, что позволяет ускорить процесс взаимодействия цемента с водой и выполнение технической задачи — получение пенобетона со средней плотностью 200–250 кг/м3.

Гомогенизированная смесь подаётся в пенобетоносмеситель (20), куда одновременно от пеногенератора (16) поступает пена, полученная в результате подачи в пеногенератор насосом (17) раствора пенообразователя из ёмкости (18) и сжатого воздуха компрессором (19). В пенобетоносмесителе (20) получают пенобетонную смесь со стабильной однородной структурой, которую выгружают в формы (21). После выдержки на посту (22) происходит откидывание бортов формы, и массив с помощью захватов перемещают на пост резки (23), где производится сначала поперечная, а затем продольная разрезка массива для получения изделий заданной формы. После чего изделия подаются на пост пакетирования готовой продукции, где они накрываются колпаком, в который в холодное время подаётся теплый воздух для окончательного набора прочности изделиями.

Устройство для разрезки массива (23) работает следующим образом. Блок помещается на платформу (24), электродвигателями (26), расположенными на раме (27), с помощью пульта управления (28) приводятся в движение распиловочные цепи резки (25). Толкатель (29) перемещает блок вправо с помощью тихоходного двигателя (30). Разрезанные блоки идут на такое же устройство для продольной резки. Цепи позволяют разрезать массив со средней плотностью 200–250 кг/м3, имеющий невысокие прочностные показатели (3 кг·с/см2), при этом блоки получаются правильной геометрической формы.