Исследование свойств модифицированного пенобетона

УДК 691.327.333

Е.А. БАРТЕНЬЕВА, магистр

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет

Исследование свойств модифицированного пенобетона

Актуальной проблемой для строительства является снижение плотности и теплопроводности ячеистых бетонов введением модифицирующих добавок. Приведены результаты исследования неавтоклавного пенобетона на основе золы-уноса, модифицированного добавками. Рассматриваются свойства пены и неавтоклавного пенобетона с введением добавок-электролитов, волокнистых и минеральных добавок. В ходе проведенных исследований установлено, что применение минеральных добавок, таких как диопсид и волластонит, наиболее эффективно в неавтоклавном пенобетоне на протеиновом пенообразователе. Данные модификаторы позволяют увеличить агрегативную устойчивость пенобетонной смеси. Предлагаемый состав и технология производства пенобетонных изделий обеспечивают снижение средней плотности материала по сравнению с контрольным составом при введении добавки волластонита на 31%, при введении диопсида - на 54%. Коэффициент теплопроводности при введении волластонита и диопсида снижается до 41-43% по сравнению с контрольным составом. Коэффициент стойкости пены в растворной смеси увеличивается на 9,5% при введении волластонита, при введении диопсида - на 23%.

Ключевые слова: ячеистый бетон, пенобетон, белковый пенообразователь, добавки-электролиты, зола-уноса, волластонит, диопсид.

Для цитирования: Бартеньева Е.А., Машкин Н.А. Исследование свойств модифицированного пенобетона // Строительные материалы. 2017. № 10. С. 36-40.

E.A. BARTENYEVA, Master

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering

Research in Properties of Modified Foam Concrete

The actual problem for the construction is to reduce the density and heat conductivity of cellular concretes by introducing modifying additives. Results of the study of non-autoclaved concrete on the basis of fly ash modified with additives are presented. Properties of the foam and non-autoclaved foam concrete with introducing additive-electrolytes, fiber and mineral additives are considered. In the course of the study conducted it is established that the use of mineral additives such as diopside and wollastonite is the most efficient in the non-auto-claved foam concrete with protein-based foaming agent. These modifiers make it possible to improve the aggregate stability of the foam concrete mix. The proposed composition and production technology of foam concrete products provide the reduction in the average density of the material in comparison with the control composition when introducing the wollastonite additive by 31%, when introducing the diopside by 54%. The heat conductivity factor when introducing the wollastonite and diopside is reduced up to 41-43% in comparison with the control composition. The foam stability factor is increased in the mortar mix by 9.5% when introducing the wollastonite, by 25% when introducing the diopside.

Keywords: cellular concrete, foam concrete, protein-based foaming agent, additive-electrolytes, fly ash, wollastonite, diopside.

For citation: Bartenyeva E.A., Mashkin N.A. Research in properties of modified foam concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 10, pp. 36-40. (In Russian).

Использование пенобетона в строительстве неуклонно растет: он применяется в качестве конструкционного, конструкционно-теплоизоляционного материала, при декорировании и отделке [1—3]. Относительно простая технология, доступность сырьевых материалов, относительная дешевизна, экологичность и хорошие теплоизолирующие свойства неавтоклавного пенобетона делают его востребованным на рынке строительных материалов.

Однако производители не всегда соблюдают рекомендуемые рецептуры и технологию получения пенобетона, не используют модифицирующих добавок. В результате готовые изделия обладают недостаточной прочностью, значительной усадкой, повышенной теплопроводностью.

Задача данной работы — подобрать оптимальные составы пенобетонных смесей и выявить наиболее эффективные модификаторы для обеспечения улучшенных характеристик неавтоклавного пенобетона.

На основании проведенных ранее исследований в работе рассматривается пенобетон с использованием белкового пенообразователя, в качестве модификаторов используются добавки-электролиты, минеральные и волокнистые добавки. Приготовление пенобетона осуществлялось на турбулентном пенобетоно-смесителе, твердение происходило в естественных условиях.

Для получения пенобетона использовался портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 (г. Искитим), имеющий следующий химический состав, мас. %: №2О3 — 0,41;

MgO - 1,94; А1203 - 4,29; SiO2 - 20,46; Р205 - 0,08; К20 - 0,97; СаО - 63,63; ТЮ2 - 0,23; МпО - 0,09; Fe2Oз - 3,69; SOз - 1,77; ППП - 2,44. Истинная плотность портландцемента - 3060 кг/м3, насыпная плотность - 1083 кг/м3. В качестве кремнеземистого заполнителя применялась кислая зола-уноса, полученная на ТЭЦ-5 г. Новосибирска от сжигания кузнецких каменных углей. Химический состав золы, мас. %: SiO2 - 60,77; А1203 - 19,45; Fe2Oз - 5,16; СаО - 5,12; MgO - 2,10; №2О - 0,89; К2О - 2,01; SOз - 0,54; Р2О5 - 0,39; ТЮ2 - 0,82; ВаО - 0,20, МпО - 0,07. Насыпная плотность золы - 885 кг/м3, истинная плотность - 1870 кг/м3, остаток на сите 008 (по массе) - 4,49%. Белковый пенообразователь - <^оатСет» (Италия).

В качестве волокнистых добавок использовалось стеклянное рубленое волокно марки ЕС 13-12-4С (Армпласт) с длиной волокон 12,3 мм и диаметром 13,7 мкм, а также базальтовая фибра с длиной волокон 12 мм, диаметром 12 мкм.

Из минеральных добавок применяли волластонит и диопсид. Волластонит - минерал из класса силикатов Алтайского месторождения, истинная плотность которого равна 2455 кг/м3, удельная поверхность составляла 100 м2/кг, 300 м2/кг и 600 м2/кг. Химический состав волластонита: SiO2 - 46,1; А12О3 - 2,93; Fe2Oз - 4,44; СаО - 45,12; MgO - 0,9; ППП - 0,51. Диопсид Слюдянского месторождения со следующим химическим составом, мас. %: СаО - 25,03; MgO - 20,01; SiO2 - 51,33; А12О3 - 1,88; Fe2Oз - 0,84; MgO - 20,01; К2О - 0,17; ТЮ2 - 0,14; ППП - 0,61; истинная плот-

35 30 25 20 15 10 5 0

36,1

с введением в пенобетон наиболее распространенных добавок-электролитов, таких как CaCl2, NaCl, KCl и

K2CO3,

FeCl3, Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3.

Без добавок CaCl2

NaCl

FeCl3

KCl

Al2(SO4)3 Fe2(SO4)3 K2CO3

1,5 1

0,5 0

I I Кратность

I I Коэффициент стойкости пены с добавкой I I Коэффициент стойкости пены в растворной смеси Рис. 1. Влияние добавок-электролитов на свойства пены

-е-

0,6

Количество добавки, % Рис. 2. Влияние волокнистых добавок на стойкость пены в растворной смеси

600

% 500 -

-Q ст 400

X

от л 1= 300 -

о;

X д е 200

О

100 -

0 _

394 394

0,097

0,3

0,6 1 Количество добавки, %

I | Средняя плотность, кг/м3 I I Прочность при сжатии, МПа I I Коэффициент теплопроводности, Вт/(м^ Рис. 3. Влияние стеклянной фибры на свойства пенобетона

>C)

ность — 2778 кг/м3; удельная поверхность — 100 м2/кг, 300 м2/кг и 700 м2/кг.

Наиболее известным вариантом повышения качества готового продукта в индустрии пенобетона является применение добавок-электролитов [4—6]. Предполагается, что такой технологический прием позволяет ускорить процесс твердения вяжущего вещества, а также снизить водотвердое отношение без ухудшения удо-боукладываемости смеси и тем самым увеличить прочность пенобетона. Были проведены эксперименты

Время приготовления пены составило 4,5 мин, затем вводился 1% добавки-электролита от массы портландцемента и производилось перемешивание в течение 1 мин (рис. 1).

Введение электролитов в пену позволяет повысить кратность пены (К) в случае с CaCl2, NaCl, KCl и K2CO3. При увеличении количества добавки кратность пены увеличивается. Наименьшая стойкость пены в растворной смеси (СЦт) соответствует Al2(SO4)3 и Fe2(SO4)3, наибольшая характерна для KCl.

При введении FeCl3, Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3 кратность пены становится меньше по сравнению с контрольным образцом, происходит синере-зис. Введение электролитов в пенобе-тонную смесь способствует увеличению связанной с ним воды, отнимая ее у молекул поверхностно-активного вещества, т. е. введение добавок электролитов способствует разрушению структуры пены. В связи с этим стойкость пены в растворной смеси снижается в соответствии с зарядом катионов K+>Na+>Ca2+>Al3+>Fe3+ и зарядом анионов Cl->CO3->SO4-.

Поэтому для получения пенобетона введение FeCl3, Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3 производилось в растворную смесь. Данные по средней плотности р и пределу прочности при сжатии Ясж представлены в табл. 1.

При твердении пенобетона продолжается воздействие электролитов на присоединение воды, что сказывается на усадке пенобетона и повышенной плотности образцов.

На сегодняшний день достаточно распространено в приготовлении пенобетона использование волокнистых добавок (хризотил-асбестовых, полимерных, минеральных) [7—9]. В работе были исследованы базальтовая и стеклянная фибры. Выбор данных добавок обусловлен способностью армировать пенобетонную смесь и повышать агрегативную устойчивость, что важно для получения качественного пенобетона, особенно твердеющего в естественных условиях. Данные по влиянию волокнистых добавок на стойкость пены в растворной смеси представлены на рис. 2; по средней плотности, прочности при сжатии, теплопроводности — на рис. 3, 4.

Введение стеклянных и базальтовых волокон положительно влияет на стойкость пены в растворной смеси, значения коэффициента стойкости пены повышаются максимально (0,89—0,91) при введении фибры в количестве 0,3—1% (для обоих видов фибры). В целом введение базальтовых волокон повышает агрегативную устойчивость пенобетонной смеси на 22%, а введение стеклянных — на 23%.

3 0,3 ÜJ о

S

2,5 rS - 0,25 со

и, ст

2 S _ <я 0,2 о X д о в

1,5 0,15 с

с о л

1 о 0 — 1 0,1 ф

о ф и

0,5 0,05 и -f*

-t*

0 0 0 К

научно-технический и производственный журнал

&

tí/^^VW октябрь 2017 37

Таблица 1

Добавка К Г" Гцт р, кг/м3 Rсж, МПа К Гп Гцт р, кг/м3 R МПа К Гп Гцт р, кг/м3 Rсж, МПа

0,1% 0,5% 1%

СаС12 17,31 0,91 457 0,54 20,3 0,72 726 1,65 30,25 0,8 489 0,66

№С1 15,42 0,85 534 0,97 16,54 0,87 572 0,8 32 0,88 370 0,32

FeCl3 16,35 0,86 463 0,52 16,35 0,87 494 0,76 16,35 0,86 493 0,73

КС1 13,96 0,89 473 0,97 16,87 0,85 682 1,76 36,1 0,93 472 0,51

А^^ОдЬ 15 0,9 505 0,79 15 0,93 355 0,77 15 0,86 470 0,57

Fe2(SO4)з 14,33 0,93 569 0,77 14,33 0,9 600 1,29 14,33 0,93 496 0,83

К2СО3 10,47 0,82 658 1,51 17,16 0,51 993 3,57 26,37 0,86 800 1,22

Таблица 2

Вид добавки Удельная поверхность, м2/кг Способ введения добавки Количество добавки, мас. %

0 1 2,5 4

К Гп Гцт К Гп Гцт К Гп Гцт К Гп Гцт

100 Пена 20,65 0,79 13,53 0,91 19,8 0,71

н ^ Растворная смесь - 0,81 - 0,89 - 0,73

о н 300 Пена 15,71 0,84 16 0,84 12,22 0,85

а Растворная смесь - 0,96 - 0,93 - 0,96

о Ш 600 Пена 21,23 0,67 19,78 0,84 20,51 0,56

Растворная смесь 18,3 0,74 - 0,81 - 0,87 - 0,74

100 Пена 13,24 1,14 14,69 0,77 17,89 0,66

о Растворная смесь - 0,91 - 0,93 - 0,66

300 Пена 16,29 0,9 14,11 0,86 15,6 0,91

о Растворная смесь - 0,89 - 0,9 - 0,87

700 Пена 11,93 0,96 13,96 0,87 15,42 0,84

Растворная смесь - 0,87 - 0,9 - 0,93

600

500

400

300

200

100

0

0,3

За счет улучшения агрегативной устойчивости смеси при введении волокнистых добавок снижается плотность и теплопроводность материала. Наименьшие показатели соответствуют количеству добавки 0,3% от массы цемента для стеклянной и базальтовой фибры, минимальная плотность соответствует марке D400. При введении базальтовой фибры теплопроводность материала меньше по сравнению с пенобетоном со стеклянной фиброй. Механизм действия волокнистых добавок заключается в армировании материала и препятствии распространению трещин.

Для повышения устойчивости пенной структуры рекомендуется использовать тонкодисперсные минеральные компоненты, в качестве которых использовались волластонит и диопсид [10, 11]. Значения кратности пены и коэффициента стойкости пены в растворной смеси представлены в табл. 2. При введении волластонита в пену наблюдается повышение кратности пены. Наибольший выход пены отмечен для волластонита с удельной поверхностью 600 м2/кг. Выход пены увеличивается по сравнению с контрольной пеной на 16%.

483

ГН ГП 432

- к Пн к«?

0,073 Г~

387 387

0,095

2,5

1,5

0,5

0,6 1 Количество добавки, %

1,5

О Средняя плотность, кг/м3

Прочность при сжатии, МПа

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м,оС) Рис. 4. Влияние базальтовой фибры на свойства пенобетона

0,3

о

о

г

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

Введение диопсида в состав пены уменьшает ее кратность по сравнению с контрольным образцом.

Коэффициент стойкости пены в поризованной растворной смеси выше для пенобетона с минеральными добавками, введенными в растворную смесь.

Наиболее высокие показатели коэффициента стойкости пены в растворной смеси соответствуют удельной поверхности добавки 300 м2/кг, количеству добав-

3

2

Таблица 4

Таблица 3

Количество добавки, мас. %

Вид добавки Удельная поверхность, м2/кг Способ введения добавки 0 1 2,5 4

Р R Р R Р R Р R

100 Пена 415 1,37 435 0,55 638 1,56

н Растворная смесь 375 1,00 395 0,55 449 1,61

о н 300 Пена 420 0,97 502 1,00 512 1,34

а Растворная смесь 420 0,94 435 1,19 444 1,3

о ш 600 Пена 545 2,1 404 1,05 783 2,95

Растворная смесь 547 1,22 361 0,73 406 1,18 436 1,94

100 Пена 345 1,02 560 1,47 664 1,54

д о Растворная смесь 274 0,57 377 0,79 520 1,22

300 Пена 401 1,22 450 2,74 563 1,39

о Растворная смесь 433 1,58 467 0,88 477 0,69

700 Пена 488 1,14 463 1,06 530 1,43

Растворная смесь 434 1,37 461 0,77 424 0,73

Удельная поверхность, м2/кг Коэффициент теплопроводности, Вт/

Вид добавки Способ введения добавки Количество, % мас.

0 1 2,5 4

100 Пена 0,119 0,105 0,122

н ^ Растворная смесь 0,07 0,107 0,114

о н с 300 Пена 0,082 0,097 0,117

а ^ л Растворная смесь 0,075 0,103 0,085

о ш 600 Пена 0,093 0,104 0,134

Растворная смесь 0,122 0,083 0,095 0,094

100 Пена 0,088 0,108 0,13

Растворная смесь 0,069 0,097 0,105

д ^ о п 300 Пена 0,073 0,096 0,079

о Растворная смесь 0,074 0,091 0,091

700 Пена 0,101 0,086 0,11

Растворная смесь 0,084 0,09 0,076

ки для волластонита — 1—2,5%. Для диопсида наилучшие показатели соответствуют удельной поверхности 100 м2/кг, а количество добавки составляет 1%, при введении в растворную смесь — 1 и 2,5%. Введение диопсида в количестве 1% в пенообразователь увеличивает коэффициент стойкости пенобетонной смеси до значения 1,14.

Увеличение количества добавки повышает плотность пенобетона (табл. 3). Введение диопсида способствует снижению средней плотности пенобетона значительнее по сравнению с волластонитом. При увеличении удельной поверхности добавки изменения плотности образцов незначительны.

Наибольший показатель прочности получен для пенобетона с диопсидом удельной поверхностью 300 м2/кг.

Благоприятное воздействие волластонита на прочность пенобетона возможно за счет армирования раствора, что происходит из-за игольчатой формы его частиц. Данный эффект позволяет снизить пластическую усадку, ограничить седиментацию минеральных составляющих за счет вероятного создания трехмер-

ной сети в межпоровом пространстве пенобетонной смеси.

Введение добавок в пенобетон позволяет уменьшить теплопроводность (табл. 4). Для диопсида коэффициент теплопроводности несколько ниже, чем волластонита.

Введение диопсида и волластонита позволяет повысить агрегативную устойчивость пенобетонной смеси.

Похожий механизм действия осуществляется и при введении волокнистых добавок в пенобетон. Однако показатели стойкости пены в растворной смеси в этом случае ниже (0,89—0,91), чем у минеральных добавок (0,9—1,14), что позволяет предположить, что частицы волластонита также являются кернами, т. е. подложками для новых центров кристаллизации, а добавки диопсида, кроме того, способствуют перераспределению напряжений в материале за счет его большей, чем у цементного камня, твердости.

По результатам эксперимента отмечено, что на свойства пенобетона влияет дисперсность добавки, предпочтительнее вводить добавки с удельной поверхностью от 300 м2/кг и ниже.

jj.

октябрь 2017

39

При минимальном количестве вводимой добавки получаются наиболее низкие показатели плотности и коэффициента теплопроводности пенобетона. По-видимому, это связано со значительным влиянием минеральных добавок (в большей степени диопсида), в первую очередь на агрегативную устойчивость пенобе-тонной смеси. Так как минеральные добавки оказывают уплотняющее действие на межпоровые перегородки пенобетона, при максимальном введении добавки этот процесс усиливается, что видно по высоким значениям плотности пенобетона (500—700 кг/м3). Минимальное же количество добавки обеспечивает устойчивость пенобетонной смеси, уплотняет и упрочняет межпоровые перегородки настолько, что при перемешивании растворной смеси и пены продолжает происходить воздухововлечение, способствующее образованию оптимальной пористой структуры пенобетона.

Выводы.

1. Добавки-электролиты негативно влияют на стойкость пены протеинового пенообразователя и пе-

Список литературы

1. Герасимов М.М., Летягина А.Н. Преимущества использования литого пенобетона в современном строительстве. Актуальные проблемы управления экономикой и финансами транспортных компаний: Сборник трудов Национальной научно-практической конференции. Москва, 2016. С. 70—73.

2. Лундышев И.А. История работы с монолитным пенобетоном в жилищном строительстве. решения, проблемы и особенности // Жилищное строительство. 2014. № 5. С. 67-72.

3. Славчева Г.С., Чернышов Е.М., Новиков М.В. Теплоэффективные пенобетоны нового поколения для малоэтажного строительства // Строительные материалы. 2017. № 7. С. 20-24.

4. Аниканова Т.В., Рахимбаев Ш.М. Пенобетоны для интенсивных технологий строительства. Белгород: БГТУ, 2015. 127 с.

5. Моргун Л.В. Пенобетон. Ростов н/Д.: РГСУ, 2012. 154 с.

6. Рахимбаев Ш.М., Половнева А.В., Аниканова Т.В. Влияние новых добавок электролитов на свойства мелкозернистого бетона // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2015. № 11-12 (683-684). С. 12-17.

7. Кудяков А.И., Стешенко А.Б. Пенобетон дисперсно-армированный теплоизоляционный естественного твердения // Вестник ТГАСУ. 2014. № 2 (43). С. 127-133.

8. Жуков А.Д., Рудницкая В.А. Пенобетон, армированный базальтовой фиброй // Вестник МГСУ. 2012. № 6. С. 83-86.

9. Кадомцева Е.Э., Моргун Л.В., Бескопыльная Н.И., Моргун В.Н., Бердник Я.А. Исследование влияния бимодульности фибропенобетона на прочность армированных балок // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 52-55.

10. Хасанов Н.М. Применение природного волластони-та в качестве армирующей и стабилизирующей добавки в составе ЩМА // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 3. С. 181-186.

11. Бердов Г.И., Ильина Л.В., Зырянова В.Н. Влияние минеральных микронаполнителей на свойства композиционных строительных материалов. Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2013. 124 с.

нобетонной массы; при последующем твердении материала постепенно происходит его усадка, нарушается пористая структура и повышается плотность материала.

2. За счет улучшения агрегативной устойчивости смеси при введении волокнистых добавок снижается плотность и теплопроводность материала. Наименьшие показатели отмечаются при содержании стеклянной и базальтовой фибры в количестве 0,3% от массы цемента, минимальная плотность пенобетона соответствует марке D400. При введении базальтовой фибры показатель теплопроводности меньше по сравнению с пенобетоном со стеклянной фиброй.

3. Введение волластонита с удельной поверхностью 100 м2/кг в растворную смесь в количестве 1% позволяет получить пенобетон с плотностью 375 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности 0,07 Вт/(м-°С).

4. Для диопсида наилучшие показатели соответствуют удельной поверхности 100 м2/кг, а количество добавки составляет 1% при введении в растворную смесь. Средняя плотность пенобетона составляет 274 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,069 Вт/(м-оС).

References

1. Gerasimov M.M., Letyagina A.N. Advantages of using cast foam concrete in modern construction. Actual problems of managing the economy and finance of transport companies: a collection of works of the National Scientific and Practical Conference. Moscow. 2016, pp. 70—73. (In Russian).

2. Lundyshev I.A. The history of work with monolithic foam concrete in housing construction. solutions, problems, and features. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 5, pp. 67—72. (In Russian).

3. Slavcheva G.S., Chernyshov E.M., Novikov M.V. Thermal efficient foam concretes of a new generation for low-rise construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 20-24. (In Russian).

4. Anikanova T.V., Rakhimbaev Sh.M. Penobetony dlya intensivnykh tekhnologii stroitel'stva [Foam concrete for intensive construction technology]. Belgorod: BSTU. 2015. 127 p.

5. Morgun L.V. Penobeton [Foam concrete]. Rostov-on-Don: RGSU. 2012. 154 p.

6. Rakhimbaev Sh.M., Polovneva A.V., Anikanova T.V. The effect of new electrolyte additives on the properties of fine-grained concrete. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Stroitel'stvo. 2015. No. 11-12 (683-684), pp. 12-17. (In Russian).

7. Kudyakov A.I., Steshenko A.B. Foam concrete, dis-persed-reinforced, heat-insulated, natural hardening. Vestnik TGASU. 2014. No. 2 (43), pp. 127-133. (In Russian).

8. Zhukov A.D., Rudnitskaya V.A. Foam concrete reinforced with basalt fiber. Vestnik MGSU. 2012. No. 6, pp. 83-86. (In Russian).

9. Kadomtseva E.E., Morgun L.V., Beskopylnaya N.I., Morgun V.N., Berdnik Ya.A. Research in influence of bi-modularity of fiber foam concrete on strength of reinforced beams. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 52-55. (In Russian).

10. Khasanov N.M. The use of natural wollastonite as a reinforcing and stabilizing additive in the composition of SCHM. Vestnik Grazhdanskikh Inzhenerov. 2016. No. 3, pp. 181-186. (In Russian).

11. Berdov G.I., Il'ina L.V., Zyryanova V.N. Vliyanie mineral'nykh mikronapolnitelei na svoistva kompozitsi-onnykh stroitel'nykh materialov [The influence of mineral micro fillers on the properties of composite building materials]. Novosibirsk: NGASU (Sibstrin). 2013. 124 p.