Влияние физического состояния химических добавок в момент введения в газобетонную смесь на кинетику газовыделения и коэффициент диффузии газа

Влияние физического состояния химических добавок в момент введения в газобетонную смесь на кинетику газовыделения и коэффициент

диффузии газа

А.И. Шуйский, С.А. Стельмах, Е.М. Щербань, А.К. Халюшев, М.Г. Холодняк, М.П. Нажуев Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: В данной статье рассматривается влияние физического состояния химических добавок в момент введения их в газобетонную смесь. Для проверки рабочей гипотезы были запроектированы и изготовлены два состава. В составе С№1 химические добавки вводились в виде коллоидного раствора. Сравнительный анализ результатов физико-механических испытаний образцов газобетона исследуемых составов показал, что введение химических добавок в виде коллоидного раствора понижает среднюю плотность в сухом состоянии за счет более интенсивного протекания реакции газовыделения без существенного снижения предела прочности на сжатие. При этом в составе С№2 наблюдается рост средней плотности.

Ключевые слова: кинетика газовыделения, коэффициент диффузии газа, газобетонная смесь, реакционная способность, вспучивание газобетонной смеси, коллоидный раствор.

Введение. Вспучивание ячеистой смеси - сложный гидродинамический, физико-химический, сильно растянутый во времени процесс. Происходит образование и рост ячеек, деформирование смеси с переменной скоростью под действием возникающего в ячейке давления, парообразования, конденсации паров воды [1]. Оптимальным условием изготовления неавтоклавного газобетона с заданными физико-механическими характеристиками является качественный процесс вспучивания газобетонной смеси, у которой обеспечивается совпадение по времени начала коагуляции новообразований цемента и начала интенсивного выделения газа алюминиевым газообразователем. В данном исследовании авторы использовали литьевую технологию производства газобетонных изделий [2].

Основная часть. Целью работы является - изучить влияние физического состояния химических добавок: каустической соды и сульфата

натрия на интенсивность газовыделения при производстве неавтоклавного газобетона.

Газобетонную смесь перемешивали в планетарном смесителе в течение 2 минут. Из полученной газобетонной смеси формовали образцы-кубы с размером ребра 10 см и выдерживали в камере для тепловой обработки при температуре 70 °С по режиму т (2+6+3). Одновременно часть газобетонной смеси загружали в прибор ПГВ-2 (рис. 1) для определения кинетики газовыделения и коэффициента диффузии газа. Для исследования приняты два состава. В составе С№1 химические добавки - каустическая сода и сульфат натрия - вводятся в ячеистобетонную смесь в виде коллоидного раствора, а в составе С№2 добавки вводятся в твердом состоянии. Составы газобетонных смесей на расчетную плотность Б600 представлены в таблице

№ 1.

Таблица №1

Составы газобетонных смесей

Наименование материала Расходы материалов для приготовления газобетонных смесей на 1 м3

С№1 С№2

Цемент, кг 312 312

Песок, кг 255 255

Вода, л 232 232

Алюминиевая пудра, кг 0,578 0,578

Каустическая сода, кг 3,12 Вводятся в виде коллоидного раствора 3,12 Вводятся в сухом виде

Сульфат натрия, кг 4,8 4,8

Период вспучивания газобетонной смеси характеризуется быстрым ростом объема смеси до некоторого максимального значения.

Рис. 1. - Схема прибора для измерения газовыделения газобетонной смеси ПГВ-2 (вид спереди): 1 - подъемный столик; 2 - газобетонная смесь; 3 -стеклянная реакционная емкость (объемом 3 л); 4 - шкала; 5 - термометр; 6 -измерительная емкость; 7 - термометр; 8 - подъемная траверса; 9 -подъемная планка; 10 - цилиндр для крепления бумаги самописца; 11 -реверсивный двигатель; 12 - Ц-образный манометр для контролирования

уровня выделяющегося газа Прибор ПГВ-2 состоит из реакционной емкости 3 со шкалой 4, предназначенной для определения уровня заливки и вспучивания газобетонной смеси. Для измерения температуры газобетонной смеси применяется электронный термометр 5. Подъемный столик 1 при помощи винта прижимает реакционную емкость к верхнему основанию прибора. Для герметизации внутреннего объема прибора служит резиновая прокладка. К верхнему основанию прибора прикреплена измерительная емкость 6, выполненная в виде тонкой гофрированной трубы. Верхняя часть измерительной емкости 6 закрыта крышкой, на которой расположен ртутный термометр, измеряющий температуру газовой среды в приборе над

поверхностью газобетонной смеси. Для измерения объема служит подъемная траверса 8. Запись показаний прибора осуществляется на миллиметровой бумаге в виде графика. Миллиметровую бумагу наматывают на барабан самописца 10, который приводится в действие реверсивным двигателем 11. Контроль внутреннего давления в приборе осуществляется и-образным манометром.

Определение параметров кинетики газовыделения осуществляется следующим образом. Газобетонная смесь помещается в измерительную емкость, которая устанавливается в прибор. Вводят электронный термометр в газобетонную смесь и герметизируют. Через определенный момент времени

производится регистрация параметров: температура газобетонной смеси tв .,

№

температура газовой среды над веществом объем переменной

№

измерительной емкости Кп объем бетонной смеси в емкости К „. После

Р)

окончания реакции газовыделения рассчитываются значения параметров кинетики газовыделения: коэффициента вспучивания коэффициента

н

диффузии газа общий объем газовыделения изменение

^ С. «-А

ГО

температуры по следующим формулам:

ув

уВг

Кз : = тт^г;

го

_ 2934 5 X СОх Уд СО-Уд СО)

00

1132Ёх(273Д5+ге{Ё»

<3 =

V —Уп

ГО

293Дювад^ X 2

V

ГО

273,1£+Еа

ГО

гНа _ „На

у;:* = У^ + у;

(О

го

гд

го

J

где - общий внутренний объем прибора, см3; объем водорода в

"га

га

газобетонной смеси, см3; - объем водорода, диффундированного из

3 н

газобетонной смеси, см ; общий объем водорода, образовавшегося в

процессе вспучивания, см ; - атмосферное давление, Па;

= 1 — а0 X дь X (273 + - относительное содержание газов в

газовой среде над смесью; /?Б - относительное содержание газов в смеси;

т

= 4,555 см3/г.град.; д1 - абсолютная плотность газовой среды (при 100% -

ной относительной влажности ), г/см3

Результаты расчетов по определению параметров кинетики газовыделения представлены на рис. 2.

к; 3

Я 2

О о

1-1

В Я

И £ к ч

<и

Э и

<и

ю О

Время, т, мин.

Рис. 2. - Зависимость объема выделившегося газа (У^2, cmJ) в газобетонной

смеси от времени

Выделившейся в результате реакции водород диффундирует с поверхности части алюминия в жидкую фазу, насыщая ее [3,4]. Таким образом, у поверхности частиц наблюдается образование пузырьков газа [5,6]. При этом между металлическим алюминием и гидратом окиси кальция, выделяющимся при гидролизе минералов клинкера вяжущего, происходит химическая реакция с выделением молекулярного водорода [7,8,9], как показано в уравнении (6):

А1+3Са

Коэффициент диффузии представлен на рисунке 3.

§ 0,7 -

СО

О 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30

Время, т, мин.

Рис. 3. - Кинетика диффузии газа из газобетонной смеси Выводы. Исходя из проведенных исследований и сличительных испытаний, авторы делают вывод, что наилучшими результатами по кинетике вспучивания газобетонной смеси и кинетике диффузии газа из газобетонной смеси показывают газобетонные смеси с введением химических добавок в виде коллоидных растворов. При этом большая часть времени не тратится на растворение химических добавок, как в составе С№2. По полученным данным построены графики - рис. 3 и рис. 4. Результаты физико-механических испытаний исследуемых составов сведены в таблицу №2.

Таблица №2

Результаты физико-механических испытаний образцов газобетона

Наименование показателя Наименование состава

С№1 С№2

Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 626 653

Предел прочности при сжатии, МПа 1,9 2,3

Исходя из таблицы №2, авторы делают вывод, что в составе С№2 кинетика диффузии газа негативно отразилась на средней плотности образцов. При этом предел прочности при сжатии образцов состава С№2 выше, чем у образцов С№1, но это легко объяснить увеличением плотности состава С№2.

Литература

1. Шуйский А.И. Оптимизация процессов структурообразования и повышения качества газобетонных изделий: дис. ... канд. тех. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. С. 98-100.

2. Баранов А.Т. Улучшение свойств ячеистого бетона // Бетон и железобетон. 1981. №8. С. 9-10.

3. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат. 1979. 476 с.

4. Вагина Л.Ф. Алюминиевые газообразователи (теоретические и практические вопросы их изготовления и применения): дис. ... канд. тех. наук: 05.23.05. М., 1971. С. 18-19.

5. Adam. M. Neville. Properties of Concrete. Pitman Books, London, 1981. 779 p.

6. Акимов А.П. Новые газообразователи на основе алюминия для ячеистого бетона: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.23.05. М.,1976. 20 с.

7. PFA Utilization, Central Electricity Generating Board, Gibbons, Wolverhampton, 1972, pp. 4-6.

8. Удачкин И.В., Гончаров Ю.В. Эффективные способы повышения водозащитных свойств ячеистого бетона. М.: Стройиздат. 1980. С. 22-26.

9. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. С. Петербург: ООО «Строй-Бетон». 2006. 690 с.

10. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Галкин Ю.В. Влияние технологических факторов на свойства неавтоклавного газобетона // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/N2y2017/4125.

11. Шуйский А.И., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Шаталов А.В. Влияние структурирующей добавки на физико-механические свойства неавтоклавного газобетона // Инженерный вестник Дона, 2017 №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4126.

References

1. Shujskij A.I. Optimizacija processov strukturoobrazovanija i povyshenie kachestva gazobetonnyh izdelij [Optimization of the processes of structure formation and improvement of the quality of aerated concrete products]: dis. ... kand. teh. nauk: 05.23.05. Rostov-na-Donu, 1983. pp. 98-100.

2. Baranov A.T. Beton i zhelezobeton. 1981. №8. pp. 9-10.

3. Volzhenskiy A.V. Mineral'nye vyazhushchie veshchestva [Mineral binders]. M.: Stroyizdat. 1979. 476 p.

4. Vagina L.F. Alyuminievye gazoobrazovateli (teoreticheskie i prakticheskie voprosy ikh izgotovleniya i primeneniya) [Aluminum gas generators (theoretical and practical issues of their manufacture and application)]: dis. ... kand. tekh. nauk: 05.23.05. M., 1971. pp. 18-19.

5. Adam. M. Neville. Properties of Concrete. Pitman Books, London, 1981. 779 p.

6. Akimov A.P. Novye gazoobrazovateli na osnove alyuminiya dlya yacheistogo betona [New gassing agents based on aluminum for cellular concrete]: avtoref. dis. ... kand. tekh. nauk: 05.23.05. M., 1976. 20 p.

7. PFA Utilization, Central Electricity Generating Board, Gibbons, Wolverhampton, 1972, pp. 4-6.

8. Udachkin I.V., Goncharov Yu.V. Effektivnye sposoby povysheniya vodozashchitnykh svoystv yacheistogo betona [Effective ways to improve waterproof properties of cellular concrete]. M.: Stroyizdat. 1980. pp. 22-26.

9. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Osnovy betonovedeniya [Bases of concrete studies]. S. Peterburg: OOO «Stroy-Beton». 2006. 690 p.

10. Stel'makh S.A., Shcherban' E.M., Khalyushev A.K., Kholodnyak M.G., Nazhuev M.P., Galkin Yu.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/N2y2017/4125.

11. Shuyskiy A.I., Stel'makh S.A., Shcherban' E.M., Khalyushev A.K., Kholodnyak M.G., Shatalov A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4126.