СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОБЕТОНА
METHOD TO MANUFACTURE CONSTRUCTION PRODUCTS FROM FOAM CONCRETE

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве изделий из теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного пенобетонов.
Известен способ улучшения строительных свойств гипсовых растворов и бетонов путем воздействия на них до начала схватывания электрическим полем тока промышленной частоты (АС СССР №131667, 80b, 609, 01.01.1960, опубл. №17 за 1960). Для этого гипсовый раствор или бетон в формах помещают между металлическими электродами, к которым прикладывают напряжение от 9 до 30 тысяч вольт. Считается, что возникающее в междуэлектродном промежутке электрическое поле воздействует на раствор или бетон и сообщает им при затвердевании более прочную и плотную структуру. Однако никаких количественных результатов, подтверждающих это мнение, в описании изобретения не приводится.
Известен способ электрофизической обработки бетонных и железобетонных изделий, целью которого является улучшение физико-механических свойств цементного камня как следствие более быстрой и полной гидратации вяжущего (AC SU №534444, C04B 41/30, C04B 15/13, опубл. 05.11.1976, бюл. №41). Для достижения указанной цели свежеотформованное изделие помещают между плоскими металлическими электродами, к которым подводят электрическое напряжение, создающее электрическое поле напряженностью 30-40 В/см, и одновременно между плоскими полюсами электромагнита, создающих магнитное поле напряженностью 2000-2500 А/см. В результате, по мнению авторов изобретения, достигается более быстрая и полная гидратация вяжущего, что положительно сказывается на прочностных характеристиках бетонных изделий.
В известном способе изготовления бетонных изделий (патент RU №2072339, C04B 40/02, опубл.31.01.1997) производилось воздействие на твердеющий бетон переменным электрическим током промышленной частоты напряжением 1000 В и одновременно постоянным магнитным полем напряженностью 100 Э. Для этого бетонную смесь укладывали в форму, борта которой являлись электродами, подключенными к источнику переменного тока, и затем форму помещали в вырез магнитопровода электромагнита, подключенного к источнику постоянного тока. Недостатком способа является сложность используемого оборудования и применение высокого напряжения, что представляет собой опасность при обслуживании указанного оборудования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ активации строительных смесей путем обработки электрическим током (AC SU №1511246, C04B 40/00, опубл. 30.09.1989, бюл. №36), по которому строительную смесь, приготовленную в газобетономешалке разливают в металлические формы размером 3,1×1,5×0,6 м, на поверхность смеси опускают пластинчатый электрод размером 10×10×0,2 см, который включают в цепь источника напряжения переменного тока амплитудой 10 В и частотой 100 кГц, модулированного однополупериодным напряжением частотой 50 Гц. Через 5-10 мин активации электрическим током изделия подвергают автоклавной обработке. Полученный таким образом газобетон обладает повышенной прочностью и морозостойкостью.
Однако известный способ может быть использован только для приготовления газобетона, как указано в описании.
Задачей изобретения является улучшение прочностных характеристик другого класса ячеистого бетона - пенобетона естественного твердения.
Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления из пенобетона включает приготовление пенобетонной смеси портландцемента, фракционированного кварцевого песка, пенообразователя и воды в смесителе, загрузку полученной смеси в формы из диэлектрического материала, и воздействие на пенобетонную смесь электрическим полем переменного тока, при этом приготовление пенобетонной смеси производят в турбулентном смесителе, на двух противоположных сторонах форм располагаются металлические электроды, частоту переменного тока выбирают по максимальному значению силы активной составляющей тока в применяемой для генерации поля электрической цепи, образованной свежеотформованным изделием и генератором тока.
Обработку свежеотформованного строительного изделия электрическим полем производят при напряженности поля 1,5-4,5 В/см.
Длительность воздействия электрического поля на свежеотформованное строительное изделие составляет 0,5-5 мин.
Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств изделий из пенобетона в результате воздействия на микроструктуру растворной части пенобетонной смеси электрическим полем переменного тока определенной частоты, напряженности и длительности после формования изделий.
Выбор способа изготовления строительных изделий из пенобетона путем обработки свежеотформованных изделий электрическим полем переменного тока основан на следующих положениях, которые не учитывались ни в одном из известных способов активации строительных смесей, в том числе предложенного в изобретении - наиболее близкого аналога.
1. Все известные способы основывались на воздействии электрического поля на скорость диссоциации минералов цемента, на скорость насыщения жидкой фазы, и, в конечном счете, на прочностные характеристики цементного камня. По нашему мнению, альтернативным вариантом влияния электрического поля на пенобетонную смесь является получение более плотной и прочной макроструктуры растворной части пенобетонной смеси путем механического воздействия на частицы заполнителя с целью достижения такой перегруппировки частиц заполнителя в жидкой среде цементного геля, в результате которой частицы заполнителя будут занимать более устойчивое и компактное взаимное расположение.
2. По нашему мнению, в условиях, когда переменное электрическое поле будет непосредственно воздействовать на зерна заполнителя, приводя их в колебательное движение, первая фаза этого процесса будет связана с тиксотропным разжижением цементного геля, а далее основная часть энергии колебаний будет расходоваться на перегруппировку частиц заполнителя. При вынужденных колебаниях частиц твердой фазы в цементном растворе поглощение энергии будет носить резонансный характер и должно зависеть от размеров (т.е. от массы) частиц заполнителя. Таким образом, частота воздействия электрического поля на растворную часть пенобетонной смеси будет основным фактором, определяющим ее уплотнение.
Характеристика исходных материалов
Для изготовления пенобетонных смесей в качестве вяжущего применяли бездобавочный портландцемент ЦЕМ I 42,5Н промышленного холдинга «Евроцемент групп» по ГОСТ 31108-2003, соответствующий ПЦ 400-Д0 по ГОСТ 10178-85. Определение его свойств производили по методикам ГОСТ 310.1-76 «Цементы. Методы испытаний. Общие положения», ГОСТ 310.2-76 «Цементы. Методы определения тонкости помола», ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема», ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения пределов прочности при изгибе и сжатии», ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка».
В качестве заполнителя использовали кварцевый песок Ерофеевского месторождения Ростовской области. Свойства песка определяли по методикам ГОСТ 8735-88.
3
В качестве пенообразователя использовали синтетический пенообразователь Centripor SK 120 (Центрипор SK 120) плотностью 1,03 г/см с кратностью пены от 13 до 20 (ГОСТ 24211-2003, ГОСТ 30459-2003, DIN EN ISO 9001).
Результаты испытаний исходных материалов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Наименование материала
Свойства
Соответствие требования нормативных документов
Портландцемент бездобавочный ЦЕМ I 42,5Н
Активность 42-43 МПа
Начало схватывания 110 мин
Соответствует ГОСТ 31108-2003
Равномерность изменения объема 8 мм
Песок кварцевый Ерофеевского месторождения
Модуль крупности (М<sub>кр</sub>) 0,83
Истинная плотность 2920 кг/м<sup>3</sup>
Соответствует ГОСТ 8736-93
Насыпная плотность 1410 кг/м<sup>3</sup>
Изготовление пенобетонных смесей и образцов пенобетона
3
Параметры приготовленных пенобетонных смесей: водотвердое отношение В/Т=0,45-0,54; соотношение песка и цемента П/Ц=0,3; содержание пенообразователя - 4,4-5,6 кг/м.
Фракционирование песка производили путем рассева через стандартный набор сит по ГОСТ 6613-86. Для изготовления смеси были выделены следующие фракции: 0,05-0,16 мм; 0,16-0,315 мм; 0,315-0,63 мм.
-1
Отдозированные воду, портландцемент и песок предварительно загружали в лабораторный турбулентный смеситель СА 400/500 емкостью 50 л со скоростью вращения ротора 10,3 с (620 об/мин). После перемешивания шликера в течение 2 мин в смеситель при остановленном активаторе заливали отдозированный пенообразователь и производили поризацию смеси в течение 4 мин. Вязкость шликера, измеренная на вискозиметре Суттарда по методике п.4 ГОСТ 23789-79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний», составляла 330-350 мм.
3
После приготовления пенобетонных смесей определили их среднюю плотность по методике п.5 ГОСТ 1-181-2000. Средняя плотность пенобетонной смеси в серии опытов изменялась в пределах 610-670 кг/см.
Затем смеси выливали в предварительно смазанные минеральным маслом формы размером 7,07×7,07×7,07 см, изготовленные из диэлектрического материала (текстолита) с плоскими металлическими электродами, расположенными на двух противоположных боковых сторонах форм.
Обработку пенобетонных смесей электрическим полем проводили сразу же после ее укладки. Для этого электроды подсоединяли к генератору низкой частоты ГЗ-109. Приложенное напряжение варьировалось от 1 до 100 В, время обработки изменялось в пределах 0,5-15 мин.
Далее образцы твердели в нормальных условиях, а через 3 суток после изготовления образцы извлекали из форм, и они продолжали твердеть в нормальных условиях до достижения 28-суточного возраста.
Определение свойств пенобетона
Основные свойства пенобетонов определяли путем испытания опытных образцов или их фрагментов по методикам соответствующих нормативных документов на проверенном оборудовании.
Среднюю плотность пенобетона в серии образцов определяли по методике ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Методы определения плотности» по результатам измерения размеров каждого образца (длина, ширина и высота) и взвешивания с последующим уточнением его влажности путем высушивания до постоянной массы кубиков пенобетона, отобранных от образцов. Среднюю плотность пенобетона в сухом состоянии рассчитывали по формуле
w
м
м
3
где ρ - плотность бетона при влажности W, кг/м; W - влажность бетона (в %) в момент испытания, определенная по ГОСТ 12730.2.
Влажность бетона определяли по методике ГОСТ 12730.2 «Бетоны. Методы определения влажности» путем отбора пробы от каждого испытанного образца массой не менее 100 г.
Определение истинной плотности бетонов проводили на абсолютно сухих тонкоизмельченных порошках, проходящих через сито 0063 по методике п.4.15.2 ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов строительного производства для строительных работ. Методы физико-химических испытаний».
Общую пористость бетона (в %) определяли расчетом по методике ГОСТ 12730.4-78 «Бетоны. Методы определения показателей пористости» по формуле
0
ист
3
3
где ρ - средняя плотность бетона в абсолютно сухом состоянии, кг/м; ρ - истинная плотность бетона г/см.
Определение предела прочности при сжатии образцов производили по методике ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».
Предел прочности при сжатии отдельного образца рассчитывали по формуле
w
2
2
где K - поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитывающий влажность образцов в момент испытания; F - разрушающая нагрузка, H (кгс); A - площадь рабочего сечения образца, мм (см); α - масштабный коэффициент для приведения прочности бетона к его прочности в образцах базового размера и формы.
w
w
Значение коэффициента K для ячеистого бетона принимали по таблице 2. Коэффициент K при промежуточных значениях влажности бетона определяли по линейной интерполяции.
Таблица 2
Влажность ячеистого бетона по массе в момент испытания W, %
Поправочный коэффициент K<sub>w</sub>
Влажность ячеистого бетона по массе в момент испытания W, %
Поправочный коэффициент K<sub>w</sub>
0
0,8
15
1,05
5
0,9
20
1,10
10
1,0
25 и более
1,15
Масштабный коэффициент α для образцов-кубов с размером ребра куба 7,0 см принимали равным 0,85 (согласно табл.5 ГОСТ 10180-90).
сж
Средний предел прочности при сжатии в серии (R) определяли в соответствии с ГОСТ 10180-90 как среднее арифметическое результатов испытания десяти образцов.
Результаты эксперимента и примеры реализации предлагаемого изобретения
1. Для проверки высказанных предположений о характере влияния электрического поля на растворную часть пенобетонной смеси были исследованы частотные характеристики пенобетонных смесей с использованием различных фракций кварцевого песка, а именно 0,63-0,315 мм, 0,315-0,14 мм и 0,14-0,05 мм. Смеси были приготовлены в одинаковых условиях и имели одинаковую начальную плотность. Для проведения измерений смеси загружали в форму, изготовленную из диэлектрического материала (текстолита), размерами 7,7×7,7×7,7 см, на двух боковых противоположных поверхностях которой располагались металлические электроды, которую подсоединяли к генератору низких частот ГЗ-109. Силу тока через форму с пенобетонной смесью измеряли при помощи мультиметра В7-21А. В таблице 3 приведены зависимости активной составляющей силы тока, определяющей величину электрической мощности, получаемой от генератора в цепи, образованной генератором и свежеотформованным изделием, от частоты тока для разных составов пенобетонной смеси, различающихся гранулометрическим составом заполнителя.
Таблица 3
Фракция, мм
Частота электрического поля, Гц
6·10<sup>1</sup>
2·10<sup>2</sup>
6·10<sup>2</sup>
2·10<sup>3</sup>
6·10<sup>3</sup>
2·10<sup>4</sup>
6·10<sup>4</sup>
2·10<sup>5</sup>
0,63-0,315
0,80
1,15
1,70
2,40
2,60
2,45
2,20
1,95
0,315-0,14
1,05
1,45
2,05
2,90
3,35
3,50
3,05
2,40
0,14-0,05
1,30
1,90
2,90
3,75
4,35
4,70
4,85
4,60
Как видно из таблицы, величина силы тока максимальна на некоторой частоте и зависит от крупности заполнителя, что позволяет выбрать оптимальный режим воздействия электрического поля переменного тока на пенобетонную смесь, который зависит от крупности фракции заполнителя.
3
4
4
2. Для оценки влияния крупности заполнителя на прочностные характеристики пенобетонных изделий была проведена серия экспериментов, в которой пенобетонные смеси подвергались воздействию электрическим полем переменного тока на частотах 6·10 Гц (для фракции 0,63-0,315 мм), 2·10 Гц (для фракции 0,315-0,14 мм) и 6·10 Гц (для фракции 0,14-0,05 мм). Время воздействия поля составляло 1 мин, напряженность поля равнялась 3 В/см.
В таблице 4 приведены показатели прочности изготовленных пенобетонов с различным гранулометрическим составом кварцевого песка, используемого в качестве заполнителя.
Таблица 4
Фракция, мм
R<sub>сж</sub>, МПа
ККК, МПа
0,63-0,315
0,9
1,80
0,315-0,14
1,22
2,45
0,14-0,05
1,05
2,15
Как видно из таблицы, наилучшими прочностными характеристиками обладает пенобетон, изготовленный из смеси, содержащей в качестве заполнителя кварцевый песок фракции 0,315-0,14 мм.
4
3. Для определения оптимальной величины напряженности электрического поля, воздействующего на пенобетонную смесь, была приготовлена серия образцов, подвергающихся воздействию электрического поля различной напряженности. В качестве заполнителя использовали кварцевый песок фракции 0,315-0,14 мм. Частота электрического поля была оптимальной для этой фракции песка и составляла 2·10 Гц. Результаты определения прочностных характеристик пенобетонов приведены в таблице 5.
Таблица 5
Прочностные характеристики пенобетонов
Напряженность поля, В/см
0
1,0
1,5
3,0
4,5
6,0
7,0
R<sub>сж</sub>, МПа
0,80
0,88
1,05
1,20
1,05
0,87
0,90
ККК, МПа
1,74
1,82
2,08
2,33
2,02
1,74
1,76
Как видно из таблицы, максимальное воздействие на пенобетонную смесь оказывает электрическое поле напряженностью 1,5-4,5 В/см.
4. Для определения оптимальной длительности воздействия электрического поля была изготовлена серия образцов из пенобетонной смеси, содержащей фракцию песка 0,315-0,14 мм, которые подвергались воздействию электрического поля напряженностью 3 В/см. Результаты измерения прочностных характеристик образцов приведены в таблице 6.
Таблица 6
Прочностные характеристики пенобетонов
Время воздействия поля, мин
0
0,25
0,5
1,0
3,0
5,0
10,0
R<sub>сж</sub>, МПа
0,80
0,85
1,05
1,20
1,10
1,00
0,75
ККК, МПа
1,67
1,70
2,15
2,39
2,20
1,99
1,51
Как видно из таблицы, максимальное воздействие на прочностные характеристики пенобетона оказывает электрическое поле тогда, если оно приложено к образцам в течение 0,5-5 мин.
Таким образом, обработка отформованных пенобетонных изделий электрическим полем переменного тока заданной частоты и напряженности приводит к повышению их механической прочности на сжатие на 25-40% и коэффициента конструктивного качества на 15-35%. Это уменьшает процент брака при проведении транспортных и монтажных работ и снижает стоимость строительного производства с применением пенобетонных изделий.