Технология высокопрочного ячеистого бетона

Одной из актуальных проблем в производстве ячеистого бетона является необходимость снижения его плотности. Так, например, на ОАО «Гродненский комбинат строительных материалов» освоен выпуск  плит марки по плотности    D 150 – 250. Снижение средней плотности на 50 кг/м3позволяет сократить потери теплоты в окружающую среду через стену и снизить расход топлива на обогрев зданий до 1кг условного топлива на 1 м2 стены в год /2/. Кроме того, возникает возможность сокращения расхода таких дорогостоящих сырьевых материалов, как известь и цемент, а также затрат на помол песка и известково-песчаного вяжущего. Основной проблемой в данном направлении является невысокая прочность ячеистого бетона. Решение данной проблемы позволит обеспечить сохранность готовых изделий при транспортировке и укладке в процессе их производства и применения. Большое значение при этом имеет возможность уменьшения толщины стеновых блоков и снижение нагрузки на фундамент.

Таким образом, создание новых и совершенствование применяемых составов ячеистого бетона является важной задачей, решение которой обеспечит снижение затрат на производство данного вида материала. В связи с этим в производстве ячеистого бетона стали широко применяться различные модифицирующие добавки неорганического и органического происхождения, способствующие изменению свойств, структуры и фазового состава материала в заданном направлении. В качестве таких добавок используются: двуводный гипс, сульфанол, сульфат магния, ангидрит и др./3-5/. Тем не менее, проблема сохранения прочности при снижении средней плотности до конца так и не решена.

Разработка научно-технологических основ повышения прочности ячеистого бетона за счет изменения структуры и фазового состава продуктов гидросиликатного твердения, интенсификации гидратационных и кристаллизационных процессов при автоклавировании является перспективным направлением, так как потенциал увеличения прочностных характеристик данного материала за счет его химизации является достаточно высоким.

В связи с этим данная работа посвящена разработке и использованию минеральных добавок, которые вводятся в состав ячеистобетонной смеси и приводят к повышению прочностных характеристик готовых изделий.

 

Основная часть. В качестве добавки, которая активизировала бы физико-химические процессы, лежащие в основе структурообразования и набора прочности, используется сульфоалюминатный модификатор (далее СМ). В настоящее время СМ производится на Петриковском керамзитовом заводе ОАО «Гомельский ДСК» и используется для получения безусадочных и напрягающих растворов и бетонов. СМ получают путем обжига во вращающейся печи при температуре 900 – 1100 0С смеси фосфогипса, глины и мела. Указанные сырьевые компоненты при твердофазовом спекании обеспечивают необходимую минералогическую основу, которая по свом физико-химическим характеристикам должна обеспечить интенсификацию процессов гидросиликатного твердения. При этом при производстве СМ в результате спекания глинистые минералы разлагаются,  и продукты их разложения вступают во взаимодействие с другими компонентами сырьевой смеси. Минералогическая основа СМ представлена ангидритом, сульфоалюминатом кальция, сульфосиликатом кальция, кремнеземом, небольшим количеством метакаолинита.

СМ вводился в состав ячеистобетонной смеси, рассчитанной на получение ячеистого бетона плотностью 200 – 500 кг/м3, в количестве 1 – 5 % от массы сухих компонентов в молотом виде с удельной поверхностью 2500 – 3000 см2/г. Формование изделий осуществлялось литьевым способом при В/Т 0,6. Запаривание сырца производилось в автоклавах ОАО «Минский КСИ» при избыточном давлении 1,0 МПа. После запаривания изделия подвергались испытанию на прочность при сжатии.

Результаты испытаний приведены в таблице 1 и на рисунке 1. Исследования проводились на лабораторных образцах – кубах размером 10×10×10см, в связи с чем прочность контрольных (бездобавочных) образцов является несколько завышенной по сравнению с промышленными аналогами. Исходя из этого, интерес представляют не столько сами значения прочности, сколько соотношение между прочностью контрольных и модифицированных образцов.

Как видно из таблицы 1, добавка СМ увеличивает прочность образцов по сравнению с контрольными в среднем примерно в 1,8 раза для ячеистого бетона со средней плотностью 400 – 500 кг/м3 и в 1,5 раза – для средней плотности 200 – 300 кг/м3. При увеличении содержания СМ наблюдается плавный постепенный прирост прочности во всех образцах, что видно из рисунка 1. Дальнейшее увеличение содержания добавки СМ в ячеистом бетоне представлялось нецелесообразным из-за возможного замедления роста пластической прочности сырца и снижения морозостойкости готовых изделий.

С помощью рентгенофазового и дифференциально-термического анализа было установлено, что СМ вследствие своей минералогической основы оказывает интенсифицирующее воздействие на процессы гидросиликатного твердения. Это способствует увеличению прочности ячеистого бетона.

Цементирующее вещество в образцах ячеистого бетона с СМ содержит в основном низкоосновные гидросиликаты кальция (ксонотлит, гиролит, гидросиликаты кальция тоберморитового ряда), которые отличаются высокой прочностью и морозостойкостью, вследствие чего оказывают положительное влияние на прочностные характеристики готовых изделий. Имеющийся в модификаторе нерастворимый ангидрит β-СаSО4 не обнаруживается в продуктах гидросиликатного твердения. Это происходит, на наш взгляд, за счет внедрения иона SO42- в структуру тоберморитового геля CSH с образованием гидросульфосиликата кальция.

 

  Таблица 1 – Влияние содержания СМ на прочность ячеистого бетона

 

На рисунках 2 и 3 приведены рентгенограммы контрольного образца (без добавки) и образца ячеистого бетона, содержащего 3% добавки СМ, соответственно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Зависимость прочности ячеистого бетона от содержания СМ

 

< 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Δ – β-кварц; ? – гиролит 2CaO·3SiO2·2H2O; ? – гиллебрандит 2СаО·SiO2·H2O;? – тоберморит 5CaO·6SiO2·5H2O; ? – ксонотлит 6CaO·6SiO2·H2O; ? – портландит Ca(OH)2.

 

Рисунок 2 – Рентгенограмма контрольного образца ячеистого бетона

 

Как видно из рентгенограммы, дифракционные отражения β-SiO2 и Са(ОН)2 для модифицированного образца имеют значительно меньшую интенсивность по сравнению с контрольным (бездобавочным) образцом, что объясняется их более полным взаимодействием. Следует отметить также, что общий уровень закристаллизованности образца, содержащего добавку СМ, значительно выше по сравнению с бездобавочным.

В результате проведенных испытаний установлено также, что морозостойкость модифицированного ячеистого бетона не уступает бездобавочным аналогам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Δ – β-кварц; ? – гиролит 2CaO·3SiO2·2H2O; ? – гиллебрандит 2СаО·SiO2·H2O; ? – тоберморит 5CaO·6SiO2·5H2O; ? – ксонотлит 6CaO·6SiO2·H2O; ? – портландит Ca(OH)2

 

Рисунок 3 – Рентгенограмма образца ячеистого бетона, содержащего добавку СМ

 

Полученные результаты позволили на втором этапе работы использовать модификатор, полученный путем обжига при температуре 900 – 1000 0С смеси глины, мела и сульфатного шлама, который является отходом Белорусского металлургического завода (г. Жлобин) и образуется после нейтрализации травильного раствора. При спекании такой сырьевой смеси образуются твердые растворы сульфоминералов типа сульфоалюмоферритов, которые действуют аналогично сульфоалюминату кальция и обладают слабыми вяжущими свойствами. Состав шлама представлен в основном дигидратом сульфата кальция, гидроксидом железа (III) и небольшим количеством различных примесей, что дает возможность использовать его взамен фосфогипса в составе добавки, и является одновременно способом утилизации данного отхода

Было исследовано влияние добавки модификатора с различным соотношением компонентов на прочность ячеистого бетона марки по плотности D500. На основании полученных результатов определен оптимальный состав добавки. Предложенный состав, включающий модифицирующую добавку в количестве 3% от массы сухих компонентов, обеспечивает повышение прочности в среднем в 2 – 2,5 раза по сравнению с контрольными образцами. Повышение прочности образцов ячеистого бетона обусловлено наличием тех же кристаллических фаз: ксонотлита, гиролита, гидросиликатов кальция тоберморитового ряда. В результате исследования состава и структуры образовавшихся продуктов твердения обнаружено повышение степени усвоения кварца, а также более плотная структура гидросиликатного камня, содержащего в большом количестве волокнистые и игольчатые кристаллы, которые образуют прочный пространственный кристаллический каркас.

Заключение. Таким образом, исходя из результатов эксперимента, получение ячеистого бетона, который по плотности соответствует теплоизоляционному, а по прочности конструкционно-теплоизоляционному, является, несомненно, перспективным направлением в современном производстве строительных материалов. Введение в состав ячеистобетонной смеси на стадии ее приготовления модифицирующих добавок в количестве 3 – 5% от массы сухих компонентов позволяет регулировать основные эксплуатационные характеристики ячеистого бетона, повышая его прочность и сохраняя необходимую морозостойкость. Разработанные составы могут быть рекомендованы для изготовления несущих и ограждающих конструкций, а также для конструкций теплоизоляционного назначения. Ячеистый бетон на сегодняшний день особенно востребован, так как он является практически единственным строительным материалом, позволяющим изготавливать однослойную стену, не требующую дополнительного утепления.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Производство, свойства и применение ячеистого бетона автоклавного твердения / Л.В. Соколовский, Н.П. Сажнев, Н.К. Шелег, Н.Н. Сажнев // Строительные материалы. – 2004. – №3. – С.2-6.

2.Соколовский Л.В. Энергосбережение в строительстве. – Минск: Сринко, 2000. – 46с.

3. А.с. ССССР №453382, Кл С 04 В 21/02. Ячеистобетонная смесь// Безверхий А.А., Дуболазов Н.М. (СССР). – №1879426/29-33; Заявл. 05.02.73., Опубл. 15.12.74., Бюл. №46.

4. А.с. СССР №316667, Кл С 04 В 15/02. Смесь для изготовления изделий из ячеистого бетона// Михайловский В.В., Тришин В.А., Скубаренко Н.Н., Раценберг Г.А., Голенко Т.В., Дичанская Д.Д., Зайченко А.И., Миропольская Э.Д. (СССР). – №1243086/29-33; Заявл. 12.05.68., Опубл. 07.10.71., Бюл. №30.

5. А.с. СССР № 453380, Кл С 04 В 15/02. Ячеистобетонная смесь// Гольдшмидт Э.М., Соколова Н.А., Рывкин Н.Д., Полевик В.И. (СССР). – № 1873009/29-33; Заявл. 19.01.73., Опубл. 15.12.74., Бюл. №46.

 

Е.И. Барановская, А.А. Мечай

Белорусский государственный технологический университет, Минск

 

 

Технология высокопрочного ячеистого бетона

 

Введение. В настоящее время предприятиями Республики Беларусь выпускается около 2,5 млн м3 ячеистого бетона в год, при этом к 2015 году существующие мощности по его производству планируется увеличить примерно в        2,1 раза /1/. Такая тенденция обусловлена в первую очередь энерго- и ресурсосберегающим направлением современной технической политики в области строительства. На сегодняшний день ячеистый бетон особенно востребован, так как он является практически единственным строительным материалом, позволяющим изготавливать однослойную стену, не требующую дополнительного утепления. При этом ячеистый бетон, как показывает практика, обладает рядом преимуществ по сравнению с другими стеновыми материалами.

Одной из актуальных проблем в производстве ячеистого бетона является необходимость снижения его плотности. Так, например, на ОАО «Гродненский комбинат строительных материалов» освоен выпуск  плит марки по плотности    D 150 – 250. Снижение средней плотности на 50 кг/м3позволяет сократить потери теплоты в окружающую среду через стену и снизить расход топлива на обогрев зданий до 1кг условного топлива на 1 м2 стены в год /2/. Кроме того, возникает возможность сокращения расхода таких дорогостоящих сырьевых материалов, как известь и цемент, а также затрат на помол песка и известково-песчаного вяжущего. Основной проблемой в данном направлении является невысокая прочность ячеистого бетона. Решение данной проблемы позволит обеспечить сохранность готовых изделий при транспортировке и укладке в процессе их производства и применения. Большое значение при этом имеет возможность уменьшения толщины стеновых блоков и снижение нагрузки на фундамент.

Таким образом, создание новых и совершенствование применяемых составов ячеистого бетона является важной задачей, решение которой обеспечит снижение затрат на производство данного вида материала. В связи с этим в производстве ячеистого бетона стали широко применяться различные модифицирующие добавки неорганического и органического происхождения, способствующие изменению свойств, структуры и фазового состава материала в заданном направлении. В качестве таких добавок используются: двуводный гипс, сульфанол, сульфат магния, ангидрит и др./3-5/. Тем не менее, проблема сохранения прочности при снижении средней плотности до конца так и не решена.

Разработка научно-технологических основ повышения прочности ячеистого бетона за счет изменения структуры и фазового состава продуктов гидросиликатного твердения, интенсификации гидратационных и кристаллизационных процессов при автоклавировании является перспективным направлением, так как потенциал увеличения прочностных характеристик данного материала за счет его химизации является достаточно высоким.

В связи с этим данная работа посвящена разработке и использованию минеральных добавок, которые вводятся в состав ячеистобетонной смеси и приводят к повышению прочностных характеристик готовых изделий.

 

Основная часть. В качестве добавки, которая активизировала бы физико-химические процессы, лежащие в основе структурообразования и набора прочности, используется сульфоалюминатный модификатор (далее СМ). В настоящее время СМ производится на Петриковском керамзитовом заводе ОАО «Гомельский ДСК» и используется для получения безусадочных и напрягающих растворов и бетонов. СМ получают путем обжига во вращающейся печи при температуре 900 – 1100 0С смеси фосфогипса, глины и мела. Указанные сырьевые компоненты при твердофазовом спекании обеспечивают необходимую минералогическую основу, которая по свом физико-химическим характеристикам должна обеспечить интенсификацию процессов гидросиликатного твердения. При этом при производстве СМ в результате спекания глинистые минералы разлагаются,  и продукты их разложения вступают во взаимодействие с другими компонентами сырьевой смеси. Минералогическая основа СМ представлена ангидритом, сульфоалюминатом кальция, сульфосиликатом кальция, кремнеземом, небольшим количеством метакаолинита.

СМ вводился в состав ячеистобетонной смеси, рассчитанной на получение ячеистого бетона плотностью 200 – 500 кг/м3, в количестве 1 – 5 % от массы сухих компонентов в молотом виде с удельной поверхностью 2500 – 3000 см2/г. Формование изделий осуществлялось литьевым способом при В/Т 0,6. Запаривание сырца производилось в автоклавах ОАО «Минский КСИ» при избыточном давлении 1,0 МПа. После запаривания изделия подвергались испытанию на прочность при сжатии.

Результаты испытаний приведены в таблице 1 и на рисунке 1. Исследования проводились на лабораторных образцах – кубах размером 10×10×10см, в связи с чем прочность контрольных (бездобавочных) образцов является несколько завышенной по сравнению с промышленными аналогами. Исходя из этого, интерес представляют не столько сами значения прочности, сколько соотношение между прочностью контрольных и модифицированных образцов.

Как видно из таблицы 1, добавка СМ увеличивает прочность образцов по сравнению с контрольными в среднем примерно в 1,8 раза для ячеистого бетона со средней плотностью 400 – 500 кг/м3 и в 1,5 раза – для средней плотности 200 – 300 кг/м3. При увеличении содержания СМ наблюдается плавный постепенный прирост прочности во всех образцах, что видно из рисунка 1. Дальнейшее увеличение содержания добавки СМ в ячеистом бетоне представлялось нецелесообразным из-за возможного замедления роста пластической прочности сырца и снижения морозостойкости готовых изделий.

С помощью рентгенофазового и дифференциально-термического анализа было установлено, что СМ вследствие своей минералогической основы оказывает интенсифицирующее воздействие на процессы гидросиликатного твердения. Это способствует увеличению прочности ячеистого бетона.

Цементирующее вещество в образцах ячеистого бетона с СМ содержит в основном низкоосновные гидросиликаты кальция (ксонотлит, гиролит, гидросиликаты кальция тоберморитового ряда), которые отличаются высокой прочностью и морозостойкостью, вследствие чего оказывают положительное влияние на прочностные характеристики готовых изделий. Имеющийся в модификаторе нерастворимый ангидрит β-СаSО4 не обнаруживается в продуктах гидросиликатного твердения. Это происходит, на наш взгляд, за счет внедрения иона SO42- в структуру тоберморитового геля CSH с образованием гидросульфосиликата кальция.

 

  Таблица 1 – Влияние содержания СМ на прочность ячеистого бетона

 

На рисунках 2 и 3 приведены рентгенограммы контрольного образца (без добавки) и образца ячеистого бетона, содержащего 3% добавки СМ, соответственно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Зависимость прочности ячеистого бетона от содержания СМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Δ – β-кварц; ? – гиролит 2CaO·3SiO2·2H2O; ? – гиллебрандит 2СаО·SiO2·H2O;? – тоберморит 5CaO·6SiO2·5H2O; ? – ксонотлит 6CaO·6SiO2·H2O; ? – портландит Ca(OH)2.

 

Рисунок 2 – Рентгенограмма контрольного образца ячеистого бетона

 

Как видно из рентгенограммы, дифракционные отражения β-SiO2 и Са(ОН)2 для модифицированного образца имеют значительно меньшую интенсивность по сравнению с контрольным (бездобавочным) образцом, что объясняется их более полным взаимодействием. Следует отметить также, что общий уровень закристаллизованности образца, содержащего добавку СМ, значительно выше по сравнению с бездобавочным.

В результате проведенных испытаний установлено также, что морозостойкость модифицированного ячеистого бетона не уступает бездобавочным аналогам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Δ – β-кварц; ? – гиролит 2CaO·3SiO2·2H2O; ? – гиллебрандит 2СаО·SiO2·H2O; ? – тоберморит 5CaO·6SiO2·5H2O; ? – ксонотлит 6CaO·6SiO2·H2O; ? – портландит Ca(OH)2

 

Рисунок 3 – Рентгенограмма образца ячеистого бетона, содержащего добавку СМ

 

Полученные результаты позволили на втором этапе работы использовать модификатор, полученный путем обжига при температуре 900 – 1000 0С смеси глины, мела и сульфатного шлама, который является отходом Белорусского металлургического завода (г. Жлобин) и образуется после нейтрализации травильного раствора. При спекании такой сырьевой смеси образуются твердые растворы сульфоминералов типа сульфоалюмоферритов, которые действуют аналогично сульфоалюминату кальция и обладают слабыми вяжущими свойствами. Состав шлама представлен в основном дигидратом сульфата кальция, гидроксидом железа (III) и небольшим количеством различных примесей, что дает возможность использовать его взамен фосфогипса в составе добавки, и является одновременно способом утилизации данного отхода

Было исследовано влияние добавки модификатора с различным соотношением компонентов на прочность ячеистого бетона марки по плотности D500. На основании полученных результатов определен оптимальный состав добавки. Предложенный состав, включающий модифицирующую добавку в количестве 3% от массы сухих компонентов, обеспечивает повышение прочности в среднем в 2 – 2,5 раза по сравнению с контрольными образцами. Повышение прочности образцов ячеистого бетона обусловлено наличием тех же кристаллических фаз: ксонотлита, гиролита, гидросиликатов кальция тоберморитового ряда. В результате исследования состава и структуры образовавшихся продуктов твердения обнаружено повышение степени усвоения кварца, а также более плотная структура гидросиликатного камня, содержащего в большом количестве волокнистые и игольчатые кристаллы, которые образуют прочный пространственный кристаллический каркас.

Заключение. Таким образом, исходя из результатов эксперимента, получение ячеистого бетона, который по плотности соответствует теплоизоляционному, а по прочности конструкционно-теплоизоляционному, является, несомненно, перспективным направлением в современном производстве строительных материалов. Введение в состав ячеистобетонной смеси на стадии ее приготовления модифицирующих добавок в количестве 3 – 5% от массы сухих компонентов позволяет регулировать основные эксплуатационные характеристики ячеистого бетона, повышая его прочность и сохраняя необходимую морозостойкость. Разработанные составы могут быть рекомендованы для изготовления несущих и ограждающих конструкций, а также для конструкций теплоизоляционного назначения. Ячеистый бетон на сегодняшний день особенно востребован, так как он является практически единственным строительным материалом, позволяющим изготавливать однослойную стену, не требующую дополнительного утепления.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Производство, свойства и применение ячеистого бетона автоклавного твердения / Л.В. Соколовский, Н.П. Сажнев, Н.К. Шелег, Н.Н. Сажнев // Строительные материалы. – 2004. – №3. – С.2-6.

2.Соколовский Л.В. Энергосбережение в строительстве. – Минск: Сринко, 2000. – 46с.

3. А.с. ССССР №453382, Кл С 04 В 21/02. Ячеистобетонная смесь// Безверхий А.А., Дуболазов Н.М. (СССР). – №1879426/29-33; Заявл. 05.02.73., Опубл. 15.12.74., Бюл. №46.

4. А.с. СССР №316667, Кл С 04 В 15/02. Смесь для изготовления изделий из ячеистого бетона// Михайловский В.В., Тришин В.А., Скубаренко Н.Н., Раценберг Г.А., Голенко Т.В., Дичанская Д.Д., Зайченко А.И., Миропольская Э.Д. (СССР). – №1243086/29-33; Заявл. 12.05.68., Опубл. 07.10.71., Бюл. №30.

5. А.с. СССР № 453380, Кл С 04 В 15/02. Ячеистобетонная смесь// Гольдшмидт Э.М., Соколова Н.А., Рывкин Н.Д., Полевик В.И. (СССР). – № 1873009/29-33; Заявл. 19.01.73., Опубл. 15.12.74., Бюл. №46.