Получение автоклавного пенобетона по резательной технологии с учетом свойств вводимой пены

Обцетехнические и социальные проблемы

Таким образом, впервые в Санкт-Петербурге начинает действовать образовательное учреждение в сфере безопасности, располагающее современным компьютерным учебно-тренажерным комплексом, моделирующим функционирование автоматизированных рабочих мест персонала службы безопасности в условиях обстановки реального объекта. Библиографический список

Разработка автоматизированной обучающей системы для дистанций сигнализации и связи : отчет по НИР / А. В. Гриненко, В. В. Нестеров, В. Л. Лабецкий, М. В. Долгов, Л. Ф. Кондратенко, Б. Н. Елкин. - СПб. : ПГУПС, 1993. - 48 с.

Технология игры в обучении и развитии / П. И. Пидкасистый, Ж. С. Хайдаров. -М. : МПУ, 1996.

Анализ показателей эффективности обучающих программ / В. В. Афанасьев, О. Б. Тыщенко, И. В. Афанасьева // I Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" : тезисы докладов. Ч. V. - Нижний Новгород, 1999.

УДК 691.699.8

А. В. Хитров, Д. И. Дробышев

ПОЛУЧЕНИЕ АВТОКЛАВНОГО ПЕНОБЕТОНА ПО РЕЗАТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ ВВОДИМОЙ ПЕНЫ

Представлена классификация и основные свойства различных пенообразователей. Показаны основные критерии управления процессами пенообразования строительной пены с учетом ее природы и возможности прогнозирования технологий получения, а также свойств пеноматериалов. Приводятся основные особенности технологии получения автоклавного пенобетона по резательной технологии.

автоклавный пенобетон, резательная технология, строительная пена, молекулярная масса.

Введение

Тема работы определена необходимостью получения теплозащитных материалов для строительства, отличающихся пониженным коэффициентом теплопроводности, и одновременного решения экологических задач, связанных с экономией топлива и природных ресурсов. В этой связи пеноматериалы на неорганической матрице оказываются одними из перспективных по своим механо- и

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

311

теплофизическим характеристикам. Отличительной особенностью в пеноматериалах обладает именно пена, которая оказывает принципиальное воздействие на технологические пределы получения, а также свойства пеноматериала.

Цель работы состояла в определении особенностей и разработке технологии получения пенобетонов с учетом природы вводимой пены.

1 Классификация и основные свойства исследуемых пенообразователей

Основную особенность пенобетонов как ячеистых материалов составляет пена, следовательно, должна быть взаимосвязь между природой строительной пены и технологическими особенностями получения материалов на ее основе. При такой постановке первым возникает вопрос о классификационных признаках пены. В качестве основы классификации были выбраны природа пенообразующих поверхностно-активных веществ (ПАВ), величина молекулярной массы М, г/моль, число атомов углерода в цепи п, а также поверхностное натяжение и концентрация ионов водорода растворов в единицах рН. Все известные пенообразующие добавки, представленные ионными растворами ПАВ, условно были разделены на пять групп (табл. 1).

Анализируя таблицу, можно отметить, что молекулярная масса является важнейшей характеристикой, определяющей многие свойства пенообразователей (ПО), а именно: поверхностную активность и

пенообразующую способность. Как следует из таблицы 1, тенденцией к большим молекулярным массам обладают синтетические ПО, представляющие I и II группы, меньшим - на основе гидролизатов белка, относящиеся к V группе.

Для выбора одинаковых условий исследования, при которых достигается максимальная стойкость пены в смеси, предложена методика определения рациональной концентрации, учитывающая нижнюю границу пено-образования. Определение рациональной концентрации исследуемых пенообразователей проводилось на основе полученных экспериментальных данных с использованием известных зависимостей:

С d s

уравнений Гиббса Г = —

устанавливающих взаимосвязь между поверхностным натяжением s, предельной удельной адсорбцией Гпр и концентрацией С пенообразующих растворов.

и Ленгмюра Г

Гпр • К (1+К у

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

©бщетехнические и социальные проблемы

По предложенной методике были определены рациональные концентрации наиболее применяемых в производстве пенобетона пенообразователей с целью изучения их технологических свойств: плотности пены, интервала рН пенообразования и коэффициента использования пены в растворе (табл. 2).

Анализ полученных данных показал, что факторы, обусловливающие поведение строительной пены на различных стадиях технологического процесса, можно разделить по трем основным признакам: механическому, определяющему устойчивость пены в пенобетонной смеси и способность смешиваться с растворной частью; химическому, характеризующемуся возможным взаимодействием пены с цементом и совместимостью ее с различными добавками; температурному, связанному с поведением пены в зависимости от изменения температуры.

Эти положения были использованы в прогнозировании и разработке технологий производства пенобетонов; при этом исходным положением была взаимосвязь влияния природы ПАВ и молекулярных масс на режим получения пеноматериала.

2 Получение автоклавного пенобетона по резательной технологии

Выбор пенообразователя при разработке автоклавной резательной технологии проводился в соответствии с рассмотренной взаимосвязью влияния технологических признаков на температурные режимы получения пенобетона с учетом предложенной классификации строительной пены (см. табл. 1). Автоклавная технология отличается от технологии твердения при атмосферном давлении тем, что предполагает тонкое измельчение сырьевых компонентов, обеспечивающее большую суммарную поверхность зерен.

Было сделано предположение, что пены, имеющие более высокую молекулярную массу и, соответственно, структурную вязкость, труднее смешиваются с растворной частью, содержащей тонкомолотые компоненты, в связи с тем, что процесс образования пенобетонной структуры идет через стадию разрушения старых связей, при этом затрачивается энергия, называемая структурной энергией активации AG, которая, по Г. И. Чередниченко, связана с вязкостью системы ц уравнением:

h = hoexP( JT )>

где AG - структурная энергия активации; Цо - вязкость при высокой температуре; R - универсальная газовая постоянная; Т- температура [1].

Поскольку более высокая молекулярная масса повышает вязкость системы, то в случае повышения удельной поверхности песка,

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

313

необходимой для автоклавных процессов, повышается энергия активации DG, вследствие чего новая однородная система не образуется, т. е. пенообразователи групп I и II могут оказаться непригодными для автоклавной технологии получения пенобетона.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

ТАБЛИЦА 1. Классификация строительной пены

Группа по классификации Название группы Основной химический компонент Число атомов углерода в углеводородном радикале, п Молекулярная масса М, г/моль pH раствора Поверхностное натяжение аТО3, Дж/м2 Относительная пенообразую- щая способность

I Алкил- сульфаты Первичный алкилсульфат натрия Вторичный алкилсульфат натрия 10-18 6-16 387-499 232-373 7 26-32 2,3 2,1

II Сульфонаты Алкилбензосульфонат натрия Алкилбензосульфонат триэтаноламина 10-14 10-14 320-376 447-503 7 28-35 2,1 1,7

III Производные карбоновых кислот Стеарат калия Стеарат натрия Пальмитат натрия 17 17 15 323 306 278 9 42-51 1,4 1,2 U

IV Производные смоляных кислот Абиетат натрия 19 300-304 9 42-45 1,2

V Г идролизаты белков Кератиновый гидролизат Г идролизат крови 2 121 8 52-54 1,0

©Щцетехнические и социальные проблемы

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

ТАБЛИЦА 2. Основные свойства исследуемых пенообразователей

Группа по классификации Название группы Наименование Предельная концентрация Спр, мак.% Рациональная концентрация, Ср, мак.% Поверхностное натяжение аТО3, Дж/м2 Интервал pH пенообразо-вания Плотность пены d, г/л Коэффициент использова- ния пены К

I Алкилсуль- фаты ПО №1 2,6 3,0 26,0 2 9 35,0 0,95

«Прогресс» 1,7 2,0 28,0 35,0 0,95

ПО-6К 2,2 2,5 32,0 45,0 0,95

II Сульфонаты «Сульфанол- 40» 2,2 2,5 30,5 2 10 40,0 0,9

«Пеностром» 2,6 3,0 35,0 50,0 0,95

ОС 2,2 2,5 37,0 50,0 1,0

III Производные карбоновых кислот «Квин» 6,5 7,0 49,0 6-12 100,0 0,55

IV Производные смоляных кислот сдо 9,0 10,0 43,0 6-12 80,0 0,8

Клееканифольный ПО 5,5 6,0 45,0 65,0 0,9

V Г идролиза-ты белков «Неопор» 2,4 2,5 54,0 6-10 75,0 0,9

«Унипор» 2,8 3,0 54,0 75,0 0,9

8В-31 2,9 3,0 53,0 80,0 0,9

ГК 2,5 3,0 53,0 80,0 0,9

Общетехнические и социальные проблемы

Обцетехнические и социальные проблемы

Таким образом, опыты подтвердили, что пены с большими молекулярными массами нецелесообразно использовать для автоклавной резательной технологии из-за плохой смешиваемости с тонкомолотыми компонентами и ограничениями по срокам созревания.

Эти же выводы были сделаны при исследования прочности пенобетона при сжатии после автоклавной обработки; было установлено, что наибольшая прочность (3,5 МПа) - у образцов на основе гидролизата белка (V гр.), несколько меньшая (2,5 МПа) - у образцов на клееканифольном пенообразователе (IV гр.) и наименьшая - у образцов на пенообразователях с высокими молекулярными массами, не достигшая требуемых значений по прочности, предъявляемых ГОСТ 21520-89.

ТАБЛИЦА 3. Пластическая прочность пенобетона плотностью D500

Классиф икаци- онная группа Наименование ПАВ Молярная масса ПАВ, г/моль Водо- твердое отношен ие Подвижность растворимой смеси по Суттарду, см Пластическая прочность, МПа, через 12 часов

на немолотом песке на молотом песке

I Алкилсульфат ы 387-415 0,62 28 0,10 -

II Сульфонаты 320-503 0,62 28 0,10 -

III Производные карбоновых кислот 278-306 0,62 28 0,11 0,01

IV Производные смоляных кислот 300-304 0,62 28 0,11 0,01

V Гидролизаты белков 121-150 0,62 28 0,12 0,12

Лучшими по этому показателю являются пенообразователи на основе гидролизатов белка, как характеризующиеся высокими пластическими и прочностными свойствами. Клееканифольный пенообразователь (IV гр.) занимает промежуточное положение, т. к. имеет хорошие показатели прочности при сжатии, но недостаточную пластическую прочность пенобетонных массивов, что позволяет рекомендовать его в производстве автоклавного пенобетона без применения резательной технологии.

Полученные выводы в дальнейшем использовались при разработке и освоении производства автоклавного пенобетона по резательной технологии. При этом решались следующие задачи: разработать

отечественную линию производства автоклавного пенобетона; разработать и внедрить новое оборудование, обеспечивающее выпуск изделий,

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

317

соответствующих современным требованиям; получить изделия на рядовом и вторичном сырье с учетом особенностей сырьевой базы различных регионов России; обеспечить выпуск изделий с высокой точностью геометрических размеров и в соответствии с действующими стандартами.

Для реализации поставленной задачи были приняты следующие технологические условия: использование извести активностью ниже 70%; замена молотого песка вторичными продуктами - золой от сжигания осадков сточных вод; поризация смеси путем добавления пены с низкой молекулярной массой (т. е. V гр. по классификации, табл. 1); формование ячеистой массы в вертикально расположенные формы; разрезание массивов короткими струнами на одном технологическом поддоне с размерами массива, мм: длина 4500, ширина 600, высота 1200.

Получаемый пенобетон изотропен, и в отличие от газобетона ориентация струн при разрезке не имеет значения. Однако важными технологическими задачами являются формирование и стабилизация ячеистой структуры пенобетона, обеспечивающие его равномерное созревание при достижении им пластической прочности перед резкой. Установлено, что при высокой пластической прочности обеспечивается хорошая гладкая поверхность изделий, однако при этом часто рвутся струны. При низкой пластической прочности достигается хорошее прорезание, но при этом не избежать слипания изделий и разрушения массива.

Исследования показали взаимосвязь температуры и равномерности созревания, заключающуюся в одинаковых значениях по прочности внутри и снаружи массива. Установлено, что для обеспечения равномерности созревания разница температур пенобетонной смеси и в камере выдержки в момент формования не должна превышать 10-15°С. Рекомендуемая температура формуемой смеси для пенообразователя на основе гидролизата белков составляет 30°С, т. е. температура в камере не должна быть выше 45°С. Определено, что пластиче-ская прочность для используемого режима резания составляет 0,03-0,035 МПа, время выдержки массива составляет 6-7 часов. Скорость набора пластической прочности уменьшается при понижении температуры и плотности пенобетонных растворов.

В соответствии с поставленной задачей было разработано и внедрено в производство резательное оборудование. Схема резательного комплекса исключает образование трещин при резке и обеспечивает точные размеры изделий в пределах ±1 мм. Высокая геометрия размеров достигается путем резки изделий вдоль и поперек оси формы струнами, длина которых превышает ширину массива на 100 мм с каждой стороны, разрезка осуществляется гладкими струнами диаметром 0,7-0,9 мм.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

ШЕ&цетехнические и социальные проблемы

Установлено, что технология автоклавного пенобетона менее требовательна к качеству сырьевых материалов и позволяет получать изделия на извести активностью от 50 до 90%. С целью определения состава пенобетона проведены подборы с учетом качества сырья и особенностей формования и созревания массива. Состав пенобетона определялся исходя из требований к текучести цементно-известковопесчаного раствора, обеспечивающей оптимальное водо-вяжущее отношение и максимальную прочность материала. Текучесть для разных плотностей определялась по диаметру расплыва смеси на вискозиметре Суттарда. Отработанные компонентные составы для автоклавного пенобетона средней плотности 400, 500 и 600 кг/м приведены в таблице 4.

ТАБЛИЦА 4. Расход материалов для пенобетона D400.. .D600

Средняя плотность, кг/м3 3 Расход материалов на 1м , кг В/В Подвижность растворной смеси по Суттарду, см

Цемент Известь Песок Вода в р-ре Вода в пене ПД Объем пены, л

400 140 65 165 121 66 2,0 850 0,91 28

500 150 70 260 135 60 1,8 790 0,89 27

600 155 75 345 148 54 1,6 720 0,88 26

Автоклавная обработка осуществлялась при температуре, равной 174±5°С, и давлении 0,8 МПа по уточненным режимам (табл. 5).

ТАБЛИЦА 5. Режимы автоклавной обработки для пенобетонов D400.D600

Наименование изделий Средняя плотность , кг/м3 Продолжительность, ч

Прогрев и продувка паром Подъем давления до 0,8 МПа Выдержк а при 0,8 МПа Спуск давления Вакуумм ировани е Весь цикл

Теплоизоляцио иные плиты 400 1,0 1,5 7,0 1,5 1,0 12,0

Мелкие стеновые блоки 500 1,0 1,5 8,0 2,0 1,5 14,0

Мелкие стеновые блоки 600 1,0 1,5 8,5 2,0 1,5 14,5

Прочность пенобетона определяли после окончания автоклавирования, а также в возрасте 28 и 56 суток. Для пенобетона, достигшего проектной прочности, определяли следующие физико-механические характеристики:

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

319

прочность при сжатии, прочность при изгибе, теплопроводность, паропроницаемость, сорбционную влажность, отпускную влажность, морозостойкость. Полученные данные представлены в таблице 6.

Пенобетон средней плотности 400, 500 и 600 кг/м имеет хорошую однородную структуру, характеризуемую равномерным распределением пор, прочность при сжатии и морозостойкость в соответствии с ГОСТ 25485, но при этом пенобетон имеет повышенный показатель отношения ^изг/^сж [2]. Оказалось, что пенобетон рассмотренных составов при использовании протеиновой добавки имеет пониженное значение коэффициента теплопроводности и пониженную сорбционную влажность по сравнению с ГОСТ 12852.6-77.

ТАБЛИЦА 6. Основные физико-механические характеристики пенобетона D400.. .D600

Средняя плотност ь, кг/м3 Класс прочности на сжатие по ГОСТ 25485-89 Прочность при изгибе, не менее, МПа Среднее значение ^изг/^сж Коэффицие нт теплопрово дности, Вт/(м-°С) Сорбционная влажность, %, при относительной влажности 97% Морозостой кость по ГОСТ 25485, циклы

400 В1-В1,5 0,7 0,45 0,09 7,5 -

500 В1-В2,5 0,7 0,40 0,11 8,4 15-35

600 В1,5-3,5 0,9 0,37 0,12 9,0 15-75

Следует отметить, что разработанная впервые в отечественной практике промышленная линия производства автоклавного пенобетона по резательной технологии обладает рядом преимуществ: выпускаемые изделия имеют высокую точность геометрических размеров; менее требовательна к качеству сырья и позволяет получать изделия при использовании извести от 50 до 90% активности; принципиальной особенностью технологии является способ поризации путем введения технической пены, значительно упрощающий производственный процесс; инвестиционная стоимость линии на порядок ниже по сравнению с зарубежными линиями автоклавного газобетона.

Заключение

Проведенные научные и практические исследования позволяют сделать вывод о том, что разработаны основные положения прогнозирования свойств и технологий получения пенобетона с учетом природы пенообразователей, произведена классификация строительной пены. Показано, что по природе ПАВ, признаку молекулярных масс, длине углеводородной цепи пенообразующего вещества, а также значению рН пенообразования возможно управлять режимами твердения

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Об0щетехнические и социальные проблемы

пеноматериалов на вяжущих основах. Были выявлены технологические особенности получения автоклавного пенобетона по резательной технологии.

Библиографический список

1. Изучение влияния дисперсного состояния на эффективность перемешивания /

A. В. Хитров // Новые исследования в материаловедении и экологии : сб. научн. статей. -Вып. 6. - СПб. : ПГУПС. - С. 23-28. - ISBN 5-7641-0159-Х.

2. Современный автоклавный пенобетон / Л. Б. Сватовская, А. В. Хитров,

B. А. Чернаков и др. // Достижения строительного материаловедения : сб. научн. статей, посвященный 100-летию со дня рождения П.И. Боженова. - СПб. : ООО «Изд-во ОМ-Пресс», 2004. - С.85-88.

АВТОРСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ

Абрамов Д. А. 17 Крылов В. И. 130

Боголепов А. В. 27 Никодимов А. П. 68

Борисенкова Н. А. 122 Привалов С. Я. 90

Буянов А. В. 130 Рождественский С. А. 73

Войнов К. Н. 40 Самойлова Е. В. 148

Глухарёв М. Л. 135 Степанов С. И. 130

Гордон М. А. 44 Строганов И. Л. 159

Доев В. С. 40 Тимофеев А. А. 83

Дробышев Д. И. 170 Хитров А. В. 170

Казакин А. В. 5 Цыганская Л. В. 68

Киселёв Е. Л. 56 Черемисин В. Т. 90

Комякова О. О. 90 Черток Е. В. 102

Кондратьев Ю. В. 90 Краснов А. С. 83 Янковская Н. Г. 112

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1