Природа пенообразователя и свойства цементной матрицы

УДК 693.542

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-63-70

ПРИРОДА ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ И СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЫ © А.А. Баранова, А.И. Савенков, П.А. Шустов

Изложены результаты исследования влияния пенообразователей различного происхождения на подвижность, сроки схватывания цементного теста и прочность цементной матрицы при производстве пенобетонов. Установлено, что увеличение концентрации синтетического пенообразователя «Пента ПАВ 430А» в диапазоне от 0,3 до 3 % уменьшает диаметр расплыва, или подвижность цементного теста, по Суттарду, увеличивает его сроки схватывания в среднем на 30 минут и снижает прочность цементного камня до 25 % по сравнению с цементным камнем без добавок. Увеличение концентрации протеинового пенообразователя «Омпор» в том же диапазоне, наоборот, увеличивает подвижность цементного теста (водоредуцирующий коэффициент составляет до 5 %), сокращает его сроки схватывания в среднем на 30 минут и снижает прочность цементного камня до 10 % по сравнению с контрольными образцами.

Ключевые слова: пенообразователь, матрица, пенобетон, цементное тесто, сроки схватывания, цементный камень.

NATURE OF FOAM GENERATED AGENT AND PROPERTIES OF CEMENT

MATRIX

© A.A. Baranova, A.I. Savenkov, P.A. Shustov

We performed the research results of the influence of foam generated agents of a different nature on the mobility, setting time of mastic cement and endurance of cement matrix during the production of aerated concrete. It is stated that the increase of concentration of synthetic foam generated agent "Penta PAV 430А" within the limits from 0,3 to 3 % decreases spread diameter, or mobility of mastic cement, according to Suttard, increases its setting up time on the average up to 30 minutes and decreases endurance of cement stone up to 25 % in comparison to cement stone without additives. Concentration increase of protein foam generated agent "Om-por" in the same range, vice versa, increases mobility of a mastic cement (water reducing index up to 5 %), reduces its setting up time limits on average up to 30 minutes and decreases endurance of cement stone up to 10 % in comparison with test samples.

Keywords: foam generated agent, matrix, aerated concrete, mastic cement, setting up time, cement stone

В условиях современного энергетического кризиса есть необходимость снизить энергоемкость и стоимость строительного производства. Применение ячеистых бетонов может помочь в решении этой проблемы. Монолитный неавтоклавный пенобетон марок по плотности D400-500 по уровню качества и масштабу производства уступает автоклавному, поэтому повышение его физико-механических показателей до уровня автоклавного и отказ от автоклавной обработки является актуальной задачей. Одним из основных факторов качества в производстве пенобетона является пенообразователь. Когда говорится о природе пенообразователя, имеется в виду условие его синтеза. При приготовлении неавтоклавных пенобетонов используются как протеиновые, так и синтетические пенообразователи. В данной работе в качестве вяжущего был взят цемент класса ЦЕМ 42,5Н производства ОАО «Ангарскцемент», пенообразователи: синтетический - «Пента Пав 430А», протеиновый - «Омпор». «Пента Пав 430А», синтетический пенообразователь, относится

к группе анионактивных, которые, в свою очередь, относятся к алкилбензолсульфонатам и алкилсульфонатам, длина их углеводородного радикала С12-С19. Сульфогруппы ^03- и -OSO3- придают ему анионные свойства. «Омпор», протеиновый пенообразователь, является высокомолекулярным амфолитным поверхностно-активным веществом с длиной молекулярной цепи до 20 тыс. углеводородных групп. Наличие двух активных радикалов в полипептидной цепи: катионактивных аминогрупп - КН2 и анионактивных карбоксильных групп - СООН - придают ему амфолитные свойства. Поскольку пенообразователь технологически необходим для образования пористого массива, он является составной частью цементного коллоида и существенно влияет на формирование и твердение пенобе-тонной массы, что отражается на последующих эксплуатационных характеристиках строительных изделий. Также большое воздействие на теплопроводность и прочность готового пенобетона оказывают размер, форма и равномерность распределения пор [1]. Повышая физико-механические показатели матрицы, можно добиться повышения прочностных характеристик пенобетона, так как прочность межпоровой перегородки ячеистого бетона прямо пропорционально влияет на конечную прочность пенобетонного изделия. Изучив действие пенообразователей различного происхождения на матрицу, можно сравнить их потребительские свойства и установить, какой из них предпочтительней для производства пенобетона. Целью настоящего исследования является выявление влияния вида и концентрации поверхностно активных веществ (ПАВ) различной природы на подвижность, сроки схватывания, прочность матрицы и класс прочности пенобетона, а также на технологические параметры пенобетонной смеси. С учетом этого попутно уточнялся расчет состава ячеистого бетона. Поверхностно активные вещества в составе пенобетонной смеси позволяют сформировать пористую структуру ячеистого бетона. Но их наличие несет побочные эффекты: удлиняются сроки схватывания пенобетонного массива, замедляется рост его прочности и даже снижается конечная прочность изделия. Это связано с тем, что любые поверхностно активные вещества формируют на поверхности сольватных оболочек цементных частиц тонкий адсорбционный слой с электростатическим зарядом одного знака, инициирующий «стерический эффект отталкивания» (рис. 1). Этот эффект количественно наиболее просто проявляется на матрице и может быть выявлен через ее прочность. Сама же матрица, или цементный раствор (для легких марок по плотности он идет без заполнителя), тоже имеет небольшую пористость, но иного характера, чем организованная пористость ячеистой структуры [2]. В малоизмененном виде цементная матрица является материалом межпоровых перегородок, хотя в ней наблюдается некоторая фрактальность.

Матрица

Рис. 1. Стерический эффект отталкивания

Чем больше величина пористости и тоньше межпоровые стенки, состоящие из цементного раствора, тем ниже средняя плотность и, следовательно, конечная прочность по-ризованного цементного камня. Исследования, проведенные в работах [3-6], подтверждают достоверность взаимосвязи прочности плотной и вспененной матрицы.

В итоге, прочность ячеистого бетона Rb, в зависимости от пористости п и прочности матрицы Rm, можно выразить, по [6], следующим уравнением:

Ъ = К

где Ъ - эмпирический показатель.

Для получения необходимой пористости в составе пенобетона при любой технологии его приготовления должно быть достаточное количество пенообразователя, но такое, чтобы его концентрация не привела к ухудшению качества готового изделия. Авторами [7-9] установлено, что при достижении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) пенообразователей, свойства раствора, содержащего поверхностно активные вещества, резко изменяются. При этом становится возможным формирование устойчивой пенной структуры при минимальной потере конечной прочности ячеистобетонного массива. Длина углеродной цепочки поверхностно активного вещества, согласно правилу Таубе [2], также оказывает влияние на его активность. На основании проведенных экспериментов это правило необходимо было подтвердить.

Образцы для выявления сроков схватывания готовились в соответствии с ГОСТ 310.3-2003. Подвижность цементного теста, согласно ГОСТ 23789-79, определялась вискозиметром Суттарда при В/Ц = 0,4 для контрольного раствора и с добавками пенообразователей («Пента Пав 430А» и «Омпор») разной концентрации в воде затворения (от 0,3 до 3 %).

Установлено (рис. 2), что с увеличением концентрации синтетического пенообразователя «Пента ПАВ 430А» в диапазоне от 0,3 до 3 % диаметр расплыва, или подвижность цементного теста, по Суттарду уменьшается. А подвижность в присутствии протеинового пенообразователя «Омпор» - увеличивается. Следовательно, пенообразователь «Омпор» обладает пластифицирующим эффектом (водоредуцирующий коэффициент составляет до 5 %). Жидкий пенообразователь, поставляемый на рынок готовым к применению, считался 100 % концентрации.

20

_ 18

л

Ё 16

I 14

О

12

&

3 10

б

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Концентрация пенообразователя,% Рис. 2. Влияние пенообразователей на подвижность цементного теста

Снижение вязкости пеноцементного раствора в присутствии ПАВ повышает подвижность смеси из-за влияния стерического эффекта (рис. 1). Но увеличение вязкости водяной пленки, содержащей ПАВ, вокруг частицы вяжущего не позволяет максимально

Цементное тесто с добавкой Омпор

Цементное тесто с добавкой Пента Пав 430А

проявиться этому эффекту. На стадии приготовления и укладки пенобетонной смеси сте-рический эффект отталкивания весьма полезен и технологически целесообразен. В то же время он затрудняет формирование цементного камня и отрицательно влияет на прочность.

Согласно ГОСТ 310.3-2003 прибором Вика определялись сроки схватывания контрольного цементного теста (В/Ц = НГ = 0,27) и с добавками пенообразователей «Пента Пав 430А» и «Омпор». Концентрация ПАВ в воде затворения варьировалась от 0,3 до 3 %.

Было установлено (рис. 3), что раствор, содержащий синтетический пенообразователь «Пента Пав 430А», увеличивает сроки схватывания в среднем на 30 минут по сравнению с контрольным цементным тестом. А присутствие в цементном тесте протеинового пенообразователя «Омпор» сокращает его сроки схватывания в среднем на 30 минут по сравнению с контрольным цементным тестом (рис. 4).

Введение «Омпор» (рис. 2) дает небольшой пластифицирующий эффект. В тоже время он же уменьшает сроки схватывания (рис. 3), что не соответствует классическому представлению о пластификации цементных систем. Здесь имеется противоречие, но это, возможно, связано с тем, что при производстве протеинового пенообразователя применяются сульфат железа или фторид натрия как стабилизаторы, которые в растворе дают небольшое ускорение сроков схватывания.

350

2 а

<rz

РЗ g

2 о

300

250

Конец схватывания

Начало схватывания

200

0 0,5 1 1,5 2 2.5 3

Концентрация пенообразователя,0 о

Рис. 3. Влияние пенообразователя «Пента Пав 430А» на сроки схватывания

цементного теста

300

250

:оо

150

о

Конец схватывания

- Начало схватываки

3

0,5 1 1,5 2 2,5 Концентрация пенообразователя,? о

Рис. 4. Влияние пенообразователя «Омпор» на сроки схватывания цементного теста

Влияние пенообразователей различного происхождения на прочность цементного камня (пеноцементной матрицы) косвенно выявляет наличие стерического эффекта и степень его отрицательного действия. Оно оценивалось на балочках размером 4х4х16 см из контрольного цементного теста и цементного теста с добавками пенообразователей «Пен-та Пав 430А» и «Омпор» разной концентрации в воде затворения (от 0,3 до 3 %). Для теплоизоляционных пенобетонов не требуется применения песчаного заполнителя, поэтому балочки формовались из цементного раствора нормальной густоты и были испытаны на сжатие в соответствии с ГОСТ 310.4-81 (табл. 1).

Определено, что наличие синтетического пенообразователя «Пента Пав 430А» уменьшает прочность цементного камня до 25 % по сравнению с цементным камнем без добавок. А присутствие протеинового пенообразователя «Омпор» в том же диапазоне уменьшает прочность цементного камня в меньшей степени, только до 10 % по сравнению с контрольными образцами.

Таблица 1

Средняя плотность и прочность при сжатии матрицы с добавками

пенообразователей

Концентрация пенообразователя в растворе, % С добавкой «Пента Пав 430А» С добавкой «Омпор»

Средняя плотность образцов, кг/м3 Прочность при сжатии образцов, МПа Средняя плотность образцов, кг/м3 Прочность при сжатии образцов, МПа

0 1915 77,6 1915 77,6

0,37 1838 68,9 1852 75,1

0,741 1792 68,3 1872 71,8

1,11 1756 64,8 1849 70,4

1,481 1806 63,2 1860 69,9

1,852 1806 60,6 1808 68,5

2,22 1694 57,4 1805 67,6

2,59 1779 55,1 1808 67,1

3,00 1804 53,1 1816 66,1

Оценка влияния пенообразователя на прочность и теплопроводность пенобетона (вспененного цементного камня), изготовленного по классической схеме (цементный раствор и пена готовились по отдельности, затем совместно перемешивались), производилась на образцах-кубах размером 100х100х100 мм в соответствии с ГОСТ 10180-90 (табл. 2).

Таблица 2

Характеристики пенобетона в зависимости от пенообразователя

«П ента Пав 430А» «Омпор»

Средняя плотность пенобетона, кг/м3 Прочность при сжатии пенобетона, МПа Теплопроводность, Вт/м°С Средняя плотность пенобетона, кг/м3 Прочность при сжатии пенобетона, МПа Теплопроводность, Вт/м°С

410 0,77 0,101 411 1,69 0,112

475 1,1 0,114 473 2,22 0,124

599 0,83 0,148 608 3,46 0,141

857 2,7 0,171 850 7,05 0,169

По данным табл. 1 можно вывести зависимость:

К = К - к  C ,

где К0 - прочность матрицы без пенообразователя, МПа; к - линейный коэффициент снижения прочности матрицы от вида пенообразователя, он определен для «Омпор» к = 1,83, для «Пента Пав 430А» к = 3,23; с - концентрация пенообразователя в цементном тесте, % от массы цемента.

Подставив значение Кт в формулу (1), с учетом того, что п = 1 - , в итоге полу-

Р

чим:

Rb = (R - к • c)/Р ^

Р '

Р )

где показатель Ъ зависит от средней плотности пенобетона и находится в пределах от 3 для D400 и до 4,5 для D900; рт - средняя плотность пенобетона, кг/м3; р - плотность матрицы, кг/м3.

Выводы:

• Ячеистый бетон теряет прочность в совокупности по двум причинам (это два одновременно действующих фактора). Во-первых, присутствие в цементных системах поверхностно-активных веществ снижает прочность цементного камня (матрицы). Количественно это выражено формулой (2). Во-вторых, имеется обратно пропорциональное влияние организованной пористости, и поэтому общая зависимость прочности от средней плотности нелинейна, это показано в формулах (1), (3).

• При применении протеинового пенообразователя эффект снижения прочности проявляется в меньшей степени, т.к. при гидратации цемента в растворе с синтетическим пенообразователем образуется большее количество новообразований со слабо выраженным кристаллическим обликом в сравнении с новообразованиями, возникающими при гидратации в растворе с протеиновым пенообразователем.

• При классической технологии производства пенобетона растворная смесь с протеиновым пенообразователем не теряет подвижность и схватывается быстрее по сравнению с раствором на синтетическом ПАВ.

• Установлено, что природа пенообразователя несущественно влияет на теплопроводность пенобетона.

• Проектируя состав ячеистого бетона, следует учесть, что самые значимые факторы качества - водотвердое отношение, класс прочности вяжущего, вид пенообразователя. Их рациональный учет поможет в производстве строительных изделий максимально возможной прочности при заданной плотности. Это значительно расширит сферу применения пенобетона в строительстве.

Статья поступила 12.05.2016 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

b

1. Баранова А.А. Влияние пенообразователей на свойства цементного теста // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2012. Т. 1, № 1. С. 116-118.

2. Савенков А.И., Баранова А.А. Прочность и подвижность пеноцементной матрицы в присутствии пенообразователей // Мат-лы I междунар. науч.-практ. конф. «Теория и практика внедрения новых технологий и материалов в производстве и строительстве». М., 2012. С. 83-88.

3. Roy D.M., Gouda G.R. Porosity-Strength Relation in Cementitious Materials with Very High Strengths // Journal of the American Ceramic Society. 1973. № 56. P. 549-550. DOI:

10.1111/j.1151-2916.1973.tb12410.x

4. Kearsley E.P, Wainwright P.J. The effect of porosity on the strength of foamed concrete // Cement and Concrete Research. 2002. № 32. P. 233-239.

5. Nambiar E.K.K., Ramamurthy K. Models for strength prediction of foam concrete // Materials and Structures. 2008. № 41. P. 247-254.

6. Xudong Chen, Shengxing Wu, Jikai Zhou. Influence of porosity on compressive and tensile strength of cement mortar // Construction and Building Materials. 2013. № 40. P. 869-874.

7. Савенков А.И., Баранова А.А. Влияние концентрации пенообразователей на свойства пеноцементной матрицы // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2013. № 1. С. 182-186.

8. Баранова А.А., Савенков А.И. Свойства матрицы пенобетона на синтетическом и протеиновом пенообразователях // Современные технологии и научно-технический прогресс. 2014. Т. 1. № 1. С. 44.

9. Баранова А.А., Савенков А.И. Пенообразователи и прочность пенобетона // Известия Сочинского государственного университета. 2014. № 3 (31). С. 10-14.

REFERENCES

1. Baranova A.A. Influence of foam generated agents on the properties of mastic cement. Sbornik nauchnykh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Collection of scientific papers of Angarsk state technical university], 2012, vol. 1, no. 1, pp. 116-118.

2. Savenkov A.I., Baranova A.A. Prochnost' i podvizhnost' penotsementnoi matritsy v prisutstvii penoobrazovatelei [Endurance and mobility of foam and cement matrix in the presence of foam generated agents]. Materialy I mezhdunar. nauch.-prakt. konf. "Teoriya i praktika vnedreniya novykh tekhnologii i materialov v proizvodstve i stroitel'stve " [Materials of the first international and practical conference "Theory and practice of implementation of new technologies and materials in the production and development"]. Moscow, 2012, pp. 83-88.

3. Roy D.M., Gouda G.R. Porosity-Strength Relation in Cementitious Materials with Very High Strengths. Journal of the American Ceramic Society, 1973, no. 56, pp. 549-550. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1973.tb12410.x

4. Kearsley E.P, Wainwright P.J. The effect of porosity on the strength of foamed concrete. Cement and Concrete Research, 2002, no. 32, pp. 233-239.

5. Nambiar E.K.K., Ramamurthy K. Models for strength prediction of foam concrete. Materials and Structures, 2008, no. 41, pp. 247-254.

6. Xudong Chen, Shengxing Wu, Jikai Zhou. Influence of porosity on compressive and tensile strength of cement mortar. Construction and Building Materials, 2013, no. 40, pp. 869-874.

7. Savenkov A.I., Baranova A.A. Foaming Agents Concentration on the Properties of Cement Matrix. Sbornik nauchnykh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Collection of scientific papers of Angarsk state technical university], 2013, no. 1, pp. 182-186.

8. Baranova A.A., Savenkov A.I. Matrix properties of foam generated agents on synthetic and protein foam generated agents. Sovremennye tekhnologii i nauchno-tekhnicheskii progress [Modern technologies and scientific and technical progress], 2014, vol. 1, no. 1, p. 44.

9. Baranova A.A., Savenkov A.I. Foam Maker and Foam Concrete Durability. Izvestiya Sochinskogo gosudarstvennogo universiteta [News of Sochi state university], 2014, no. 3

Информация об авторах

Баранова Альбина Алексеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство», e-mail: baranova2012aa@mail.ru; Ангарский государственный технический университет, 665835, Россия, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60.

Савенков Андрей Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство», e-mail: savenkov_andrey@mail.ru; Ангарский государственный технический университет, 665835, Россия, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60.

Шустов Павел Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительное производство», е-mail: ctroitel@stu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Baranova A.A., candidate of technical sciences, associate professor, Department of industrial and civil construction, е-mail: baranova2012aa@mail.ru, Angarsk State Technical University, 60, Chaykovskiy St., 665835, Angarsk, Russia.

Savenkov A.I., candidate of technical sciences, associate professor, Department of industrial and civil construction, е-mail: savenkov_andrey@mail.ru, Angarsk State Technical University, 60, Chaykovskiy St., 665835, Angarsk, Russia.

Shustov P.A., candidate of technical sciences, associate professor, Department of construction production, е-mail: ctroitel@stu.edu, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

УДК 691.311: 666.91

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-70-77

СТЕНОВЫЕ КАМНИ НА ОСНОВЕ БЕЗОБЖИГОВОГО АНГИДРИТОВОГО

ВЯЖУЩЕГО

© А.В. Каклюгин, И.В. Трищенко, А.В. Козлов, А.В. Чижов

Представлены результаты исследований по определению рационального способа использования ангидрита, получаемого попутно при добыче гипсового камня. Изучена возможность его вовлечения в производство вяжущего. Описана предлагаемая технология получения безобжигового ангидритового вяжущего. Приведены предложения по организации производства стеновых камней на его основе. Выполнен сравнительный анализ технико-экономических показателей производства стеновых камней с использованием традиционного низкообжигового гипсового и безобжигового ангидритового вяжущего. Установлены преимущества предлагаемого технического решения, в том числе меньшая энергоемкость и экологическая безопасность продукции. Расчетным путем доказана эффективность инвестиций в исследуемое направление инновационной деятельности.

Ключевые слова: безобжиговое ангидритовое вяжущее, производство стеновых камней, рециклинг, технико-экономическая и экологическая эффективность, инвестиции, показатели коммерческой эффективности.