Оптимизация рецептурно-технологических факторов получения газобетона бездефектной макроструктуры на основе известково-цементного вяжущего

18.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Варгафтик Н.Б. - М.: Физматгиз, 1963. - 708 с.

19.Бойтон Р.С. Химия и технология извести. Сокращенный перевод с английского / Бойтон Р.С. - М.: Изд-во по строительству и архитектуре, 1972. - 239с.

20.Бутт Ю.М. Химическая технология вяжущих материалов / Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. - М.: Высшая школа, 1980. - 327 с.

УДК 666.9: 691.511: 666.973.6:691.33

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЦЕПТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗОБЕТОНА БЕЗДЕФЕКТНОЙ МАКРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ИЗВЕСТКОВО-ЦЕМЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО

Любомирский Н.В., Шаленный В.Т., Ванюшкин А.С., Шуляк Е.Ю., Слепокуров Ю.В.

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

Исследовано влияние различных рецептурно-технологических факторов на получение газобетона бездефектной структуры на основе смешанного известково-цементного вяжущего. Выявлено, что в наибольшей степени формирование ячеистой структуры зависит от текучести смеси, количества извести в составе известково-цементном вяжущего и алюминиевой пудры. Экспериментально установлено, что для получения бездефектной ячеистой макроструктуры газобетона средней плотностью Б 500, оптимальными технологическими параметрами являются: состав известково-цементного вяжущего 50 : 50 % мас., количество алюминиевой пудры -0,10 - 0,12 % мас., диаметр расплыва смеси на вискозиметре Суттарда - 33 см и температура формовочной смеси 303 К.

Газобетон, известково-цементное вяжущее, ячеистая структура, рецептурно-технологические факторы, средняя плотность

Введение. Анализ публикаций

На данный момент весьма актуальным является вопрос производства теплоизоляционных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. Итогом многолетних исследований ученых всего мира является разработка различных технологий изготовления ячеистого бетона, отличающихся способом формования, твердения и сырьевой базой [2, 10, 11, 5].

При любой технологии обязательным условием является обеспечение экологичности и экономичности производственного процесса. Одним из вариантов решения данного вопроса является производство газокарбоната - ячеистого материала на основе извести и вторичного известнякового сырья, совмещающего в себе технологию газобетона в части получения ячеистой структуры, но твердение которого осуществляется за счет искусственной карбонизации [8].

Газобетон является композиционным материалом, формирование пористой структуры и свойств которого зависит от множества факторов. Многочисленными исследованиями устновлено [6], что решающее влияние на прочность и другие свойства ячеистого бетона оказывает структура пористости, а не ее первичные элементы - поры. Впервые теоретическое обоснование связи между макроструктурой ячеистых бетонов и их прочностью было дано Г.И. Логиновым и А.П. Филиным [1]. Особенное внимание исследованиям вопросов структурообразования уделяли Ю.П. Горлов, А.П. Меркин, К.Э. Горяйнова, С.К. Горяйновой и др. [4, 9].

Анализируя процессы структурообразования газобетонов, выделяют факторы, определяющие скорость изменения вязкости и пластической прочности растворной

составляющей, и факторы, определяющие кинетику газообразования. К первой группе можно отнести: величину водотвердого отношения, соотношение сырьевых компонентов, удельную поверхность заполнителя, минералогический состав вяжущих веществ и сроки схватывания, количество и вид добавок-регуляторов твердения, температуру воды затворения, температуру окружающей среды, наличие и вид поверхностно-активных веществ. Ко второй группе - характеристики алюминиевой пудры, ее активность, удельную поверхность, рН среды, температуру реакции и др. [3, 7]. Для нормального формирования ячеистой структуры необходимо совместить момент максимального газовыделения с оптимальными значениями пластично-вязких характеристик. Синхронизация процесса газообразования и изменения вязкости смеси обеспечивается тщательным подбором рецептурно-технологических факторов, что является основной задачей при получении качественного газобетона.

Газокарбонат в отличие от газобетона автоклавного твердения приобретает прочность за счет карбонизационного твердения известковой составляющей. Поэтому, кроме всех прочих рецептурно-технологических факторов, определяющих получение газобетона, важной задачей при оптимизации составов газокарбоната является разработка смешанного известково-цементного вяжущего, обеспечивающего формирование прочной ячеистой структуры принудительно карбонизированного материала. Цемент в составе вяжущего необходим для фиксации получаемой в результате газообразования пористой структуры и уменьшения усадочных деформаций газобетона.

Цели и постановка задач исследования

Целью настоящей статьи является оптимизация рецептурно-технологических факторов для получения бездефектной макроструктуры газобетона на основе известково-цементного вяжущего путем установления закономерностей процесса порообразования системы «известково-цементное вяжущее - газообразователь - вода».

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- установить закономерности зависимости изменения средней плотности газобетона от различных рецептурно-технологических факторов (текучесть смеси, количество извести и алюминиевой пудры и температура);

- оценить получаемую ячеистую макроструктуру газобетона на основе известково-цементного вяжущего от изменяемых технологических факторов.

Методика исследований, результаты и их анализ

Исходя из того, что процесс получения бездефектной ячеистой структуры зависит от множества технологических факторов, реализацию поставленной цели осуществляли методами математического планирования эксперимента с использованием ортогонального композиционного плана второго порядка. В качестве варьируемых факторов приняли четыре, оказывающих наибольшее влияние на вспучивание газобетонной смеси и формирование структуры газобетона: водосодержание бетонной смеси, которое оценивали диаметру расплыва смеси на вискозиметре Суттарда, содержание извести в смешанном известково-цементном вяжущем и количество газообразователя (алюминиевой пудры) и температура смеси. Характеристики алюминиевой пудры, ее удельная поверхность и температура окружающей среды приняты постоянными. Для поризации газобетонной смеси использовалась алюминиевая пудра ПАП-1, кроющая способность на воде которой составляет не менее 7000 см2/г. Температура окружающей среды составляла 20°С. Условия планирования эксперимента представлены в табл. 1.

Определение степени влияния варьируемых факторов на конечные свойства ячеистого материала осуществлялся по показателю средней плотности - параметра, характеризующего структурное состояние ячеистого бетона, а также путем оценки получаемой макроструктуры материала. Среднюю плотность и особенности строения макроструктуры определяли на образцах-кубах размерами 100*100x100 мм, высушенных при температуре 333 - 343 К. Матрица планирования эксперимента и экспериментальные данные представлены в табл.2.

Таблица 1

Условия ^ планирования эксперимента__

Наименование Ед. изм. Код Уровни варьирования Интервал

фактора -2 -1 0 1 2 варьирования

Расплыв смеси на

вискозиметре Суттарда см Х1 24 27 30 33 36 3

Содержание газообразователя % Х2 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,02

Содержание

извести в смешанном % Хз 10 30 50 70 90 20

вяжущем

Температура смеси К Х4 293 298 303 308 313 5

Таблица 2

Матрица планирования и экспериментальные данные_

№ опыта Матрица планирования Натуральные значения переменных Средняя плотность, с 0, кг/м3

Х1 Х2 Х3 Х4 Х1, см Х2, % Х3, % Х4, К

1 +1 +1 +1 +1 33,0 0,12 70,0 308 370

2 -1 +1 +1 +1 27,0 0,12 70,0 308 413

3 +1 -1 +1 +1 33,0 0,08 70,0 308 489

4 -1 -1 +1 +1 27,0 0,08 70,0 308 480

5 +1 +1 -1 +1 33,0 0,12 30,0 308 432

6 -1,0 +1 -1 +1 27,0 0,12 30,0 308 499

7 +1 -1 -1 +1 33,0 0,08 30,0 308 580

8 -1 -1 -1 +1 27,0 0,08 30,0 308 637

9 +1 +1 +1 -1 33,0 0,12 70,0 298 397

10 -1 +1 +1 -1 27,0 0,12 70,0 298 483

11 +1 -1 +1 -1 33,0 0,08 70,0 298 443

12 -1 -1 +1 -1 27,0 0,08 70,0 298 517

13 +1 +1 -1 -1 33,0 0,12 30,0 298 552

14 -1 +1 -1 -1 27,0 0,12 30,0 298 616

15 +1 -1 -1 -1 33,0 0,08 30,0 298 605

16 -1 -1 -1 -1 27,0 0,08 30,0 298 710

17 +2 0 0 0 36,0 0,10 50,0 303 469

18 -2 0 0 0 24,0 0,10 50,0 303 543

19 0 +2 0 0 30,0 0,14 50,0 303 430

20 0 -2 0 0 30,0 0,06 50,0 303 591

21 0 0 +2 0,0 30,0 0,10 90,0 303 384

22 0 0 -2 0,0 30,0 0,10 10,0 303 707

23 0 0 0 +2 30,0 0,10 50,0 313 532

24 0 0 0 -2 30,0 0,10 50,0 293 490

25 0 0 0 0 30,0 0,10 50,0 303 487

26 0 0 0 0 30,0 0,10 50,0 303 491

27 0 0 0 0 30,0 0,10 50,0 303 495

28 0 0 0 0 30,0 0,10 50,0 303 488

29 0 0 0 0 30,0 0,10 50,0 303 493

30 0 0 0 0 30,0 0,10 50,0 303 498

31 0 0 0 0 30,0 0,10 50,0 303 496

Уравнение регрессии зависимости средней плотности газобетона от исследуемых факторов, полученное при обработке экспериментальных данных, имеет вид:

У = 139,71 - 26,43Х1 - 42,51Х2 - 70,29Х3 -14,15Х4 + 90,93Х; + + 91,97Х22 +100,68Х32 + 92,09X4 - 2,06Х1Х2 + 6,15Х1Х3 +

'2 1 1 +10,60 Х1Х4 + 10,31Х2 Х4 +15,40 Х3 Х4.

Согласно уравнению регрессии (1), наиболее значительное влияние на показатель средней плотности оказывает содержания извести в составе вяжущего (Х3). Так с увеличение содержание извести в смешанном известково-цементном вяжущем средняя плотность ячеистого материала уменьшается. Аналогичное влияние, но в меньшей степени, оказывает и увеличение количества алюминиевой пудры (Х2). Водосодержание газобетонной смеси, контролируемое величиной диаметра расплыва смеси на вискозиметре Суттарда, Х1 в меньшей степени оказывают влияние на изменение средней плотности газобетона. С увеличением диаметра расплыва газобетонной смеси до максимальных значений, определенных условиями эксперимента, пористость массива увеличивается. Минимальное влияние на показатель средней плотности оказывает температура формовочной смеси Х4. Однако, значения коэффициентов регрессии, стоящих при взаимодействиях факторов, свидетельствуют, что от изменения температурного режима формования существенно влияет на изменение показателей средней плотности и пренебрегать температурой не следует.

Анализ полученных экспериментальных данных позволяет предположить, что увеличение количества извести в смеси повышает ее рН, тем самым, интенсифицируя процесс газообразования. Максимально низкие показатели средней плотности образцов (370 - 400 кг/м ) достигнуты при содержании извести 70 - 90 % мас. и расходе алюминиевой пудры 0,10 -0,14% мас.

Графическая обработка полученного математического полинома в виде номограмм изменения средней плотности образцов в зависимости от наиболее влияющих факторов Х2 и Х3 при постоянной температуре 303 К различных показателях текучести смеси представлена на

рис. 1.

а б в

Рис. 1. Номограммы изменения средней плотности газобетона в зависимости от содержания извести в составе вяжущего и количества алюминиевой пудры при температуре смеси 303 К и различных диаметрах расплыва рабочей смеси, см:

а - 24; б - 30; в - 36.

Номограммы показывают, что эффект влияния водотвердого отношения тем больше, чем ниже показатели средней плотности получаемого пористого материала. При значениях средней плотности в пределах 700 - 900 кг/м3 диаметр расплыва смеси, характеризующий ее текучесть, существенно не изменяет диапазон варьирования рецептурных факторов для получения плотностей заданных значений, но для получения более высокой пористости газобетона необходимо повышать водотвердое отношение. Это обусловлено тем, что при образовании большого количества пор необходимо обеспечить достаточное количество воды в системе для образования бездефектных межпоровых пленок, способствующих улучшению газоудерживающей способности смеси и высокому коэффициенту использования алюминиевой пудры. Так из рис. 1 видно, что при диаметре расплыва смеси на вискозиметре Суттарда 36 см достигается оптимальная вязкость смеси, обеспечивая тем самым широкий диапазон варьирования сырьевых компонентов для получения ячеистого материала

плотностью 400 - 500 кг/м . Если при диаметре расплыва смеси 24 см для получения газобетона марки Б 500 необходимо использовать 80 - 90 % мас. извести в составе вяжущего, то при расплыве 36 см при содержании извести в составе вяжущего 50 - 90 % мас. возможно достичь значений средней плотности в 400 кг/м .

Комплексный анализ полученных данных позволил установить, что для достижения высоких показателей роста газовой фазы оптимальным является использование 70 % извести в составе вяжущего вещества. При данном количестве извести в смеси вяжущего обеспечивается достаточная щелочность системы для более полного течения процесса газообразования и не наблюдается перерасход газообразователя. Регулируя расходы извести и алюминиевой пудры можно получать бетоны одинаковой средней плотности, но разной структуры пористости, с разными показателями усадки и, соответственно, разными эксплуатационными характеристиками.

При формировании пористой макроструктуры ячеистого материала выделяют два основополагающих процесса: газообразование и рост пластической прочности и вязкости системы. Для получения бездефектной структуры пористости бетона необходимо синхронизировать эти два процесса. Это возможно только при тщательном подборе факторов рецептурного и технологического характера.

В технологии газобетона принято выделять три типичных режима порообразования в зависимости от взаимодействия процессов структурообразования во времени. В случае опережения процесса газообразования относительно роста пластической прочности смеси наблюдается удаление газа из смеси, что приводит к значительным его потерям и образованию крупных пор в верхней части массива. Позднее газообразование, которое возникает после набора материалом определенной пластической прочности, влечет за собой рост давления в его порах и образование трещин в межпоровых перегородках. Согласованные во времени процессы газообразования и увеличения пластической прочности формируют ячеистую структуру бетона с оптимальными характеристиками.

Рассмотрение макроструктур опытных образцов, получаемых в ходе проведения эксперимента, показало, что ячеистый материал характеризуется тремя видами ячеистых структур, возникновение которых в наибольшей степени зависит от консистенции газобетонной смеси и состава смешанного вяжущего (рис. 2).

а б в

Рис. 3. Ячеистая структура опытных образцов газобетона марки Б500, получаемых из смеси известково-цементного вяжущего состава, % мас.: 70 : 30 (а, б) и 50 : 50 (в) и алюминиевой пудры в количестве 0,12 % мас. при температуре 303 К, в зависимости от показателя текучести смеси на вискозиметре Суттарда Суттарда, см:

а - 27; б -33; в - 36.

Материалы, полученные на основе известково-цементного вяжущего, содержащего известь в количестве 70 % мас., минимальной и максимальной растекаемостью смеси, определенными экспериментом (диаметр расплыва смеси, соответственно 27 и 36 см) (см. рис. 2, а и в), характеризуются дефектной структурой. При низких показателях текучести смеси (рис. 2, а) образуется рваная пористая структура из-за пониженной текучести суспензии, препятствующей увеличению пузырьков до объемов, который

может занять содержащейся в них газ. В случае высокой подвижности смеси (рис. 2, в), вследствие того, что вязкое сопротивление суспензии в начальный период времени не способно препятствовать слиянию газовых пузырьков, макроструктура ячеистого материала характеризуется наличием крупных пор.

Ячеистая структура образцов газобетона, полученных вспучиванием рабочей смеси подвижностью, соответствующей диаметру расплыва на вискозиметре Суттарда 33 см визуально соответствует оптимальной (см. рис. 2, б). При данных технологических параметрах вязко-пластичные свойства газобетонной смеси не препятствуют активному росту многочисленных пузырьков газа при незначительном давлении внутренней газовой фазы, при этом, не наблюдается объединение газовых пузырьков в крупные поры. После окончания газообразования происходит схватывание смеси с образованием макроструктуры, отличающейся наличием сферических пор размером до 1 - 1,5 мм и бездефектными межпоровыми перегородками.

Выводы

1. Путем проведения оптимизации рецептурно-технологических факторов (текучесть смеси, количество извести и алюминиевой пудры и температура) получения газобетона, учитывающей его последующее принудительное карбонизационное для получения газокарбоната, установлено, что в совокупности данные факторы определяют формирование правильной макроструктуры будущего газокарбоната. Температура газобетонной смеси является технологическим параметром, который оказывает наименьшее влияние на количественные показатели выделения газа, но способствует формированию правильной макроструктуры, так как определяет скорость прохождения реакции газообразования.

2. Выявлено, что для обеспечения достаточной щелочности системы, обеспечивающей достижение высоких показателей роста газовой фазы, за счет более полного протекания процесса газообразования оптимальным является использование в составе известково-цементного вяжущего 50 - 70 % мас. извести.

3. Определено, что текучесть газобетонной смеси на основе известково-цементного вяжущего в значительной степени зависит от состава вяжущего и является фактором, определяющим кинетику изменения реологических свойств смеси в процессе ее вспучивания. Увеличение текучести газобетонной смеси расширяет диапазон варьирования сырьевых компонентов газобетона и позволяет получать газобетон меньшей плотности. Так при расплыве смеси на вискозиметре Суттарда 33 - 36 см возможно получать газобетон плотностью 400 - 500 кг/м3.

4. Экспериментально установлено, что для получения бездефектной ячеистой макроструктуры газобетона средней плотностью Б 500, оптимальными технологическими параметрами являются: состав известково-цементного вяжущего 50 : 50 % мас., количество алюминиевой пудры - 0,10 - 0,12 % мас., диаметр расплыва смеи на вискозиметре Суттарда - 33 см и температура формовочной смеси 303 К.

Список используемой литературы

21.Баранов А.Т. Вопросы технологии ячеистых бетонов и конструкций из них /

A.Т. Баранов, В.В. Макаричев - М.: Стройиздат. Московская типография. - 1972. -

173 с.

22.Горлов Ю.П.. Технология теплоизоляционных материалов / Учебник для вузов.

Под ред. Ю.П. Горлова. - М. Стройиздат. - 1980. - 399 с.

23.Горчаков Г.И. Условия оптимального структурообразования ячеистых бетонов /

Горчаков Г.И., Сахаров Г.П., Данилин В.К. // Легкие наружные стены. - 1973. - С. 77

- 82.

24.Горяйнов К.Э. Формирование структуры ячеистых бетонов / К.Э. Горяйнов,

B.П. Скрипник // Строительные материалы. - 1974. - №5. - С. .

25.Кривицкий М.Я. Ползучесть автоклавных ячеистых бетонов с учетом некоторых

технологических факторов / Кривицкий М.Я., Левин Н.И., Счастный А.Н. //

Производство и применение изделий из ячеистых бетонов. - М.: Стройиздат. - 1968.

- С. 105 - 120.

26.Кривицкий М.Я. Ячеистые бетоны. Технология, свойства и конструкции / Кривицкий М.Я., Левин Н.И., Макаричев В.В. - М.: Издательство литературы по строительству, 1972. - 70 с.

27.Книгина Г.И. Значение пластичности газобетонной массы при формировании макроструктуры / Г.И. Книгина, В.Д. Загоренко // Строительные материалы. - 1966.

- № 1. - С. 35 - 36.

28.Любомирский Н.В. Известково-карбонатные строительные композиты карбонизационного твердения / [Любомирский Н.В., Локтионова Т.А., Бахтин А.С., Акимов А.М.] // Будiвельнi конструкций Мiжвiдомчий науково-техшчний збiрник наукових праць (будiвництво). - Кшв: ДП НД1БК. - 2009. - Вип. 72. - С. 319 - 327.

29.Меркин А.П. Формирование макроструктуры ячеистых бетонов / Меркин А.П., Филин А.П., Земцов Д.Г. // Строительные материалы. - 1963. - №12. - С. 16 - 17.

30.Розенфельд Л.М. О снижении усадочных деформаций газошлакобетона / Розенфельд Л.М., Нейман А.Г., Васильева Т.Д. // Производство и применение изделий из ячеистых бетонов. - М.: Стройиздат. - 1968. - С. 61 - 70.

31.Розенфельд Л.М. Химические добавки и поверхностно-активные вещества в технологии газошлакобетона / Розенфельд Л.М., Нейман А.Г., Васильева Т.Д. // Производство и применение изделий из ячеистых бетонов. - М.: Стройиздат. - 1968.

- С. 71 - 84.