Способ проектирования составов теплоизоляционного пенобетона
METHOD FOR DESIGNING COMPOSITIONS OF HEAT-INSULATING FOAMED CONCRETE

Область техники.
Изобретение относится к производству теплоизоляционного пенобетона на минеральном вяжущем для реализации на заводах гипсовых изделий или на предприятиях по выпуску блоков и устройству монолитной теплоизоляции из пеноматериала, связующим компонентом которого является портландцемент или шлакопортландцемент.
Уровень техники.
За прототип изобретения приняты:
- способ подбора состава безавтоклавного ячеистого золобетона инструкции АСиА СССР, НИИЖБ, ЦНИИСК по производству и применению крупноразмерных изделий из безавтоклавного ячеистого золобетона выпуска 1961 г. (данный способ более близкий по совокупности признаков к патентуемому изобретению);
- способ подбора состава ячеистобетонной смеси инструкции по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН 277 - 80 (Госстрой СССР).
В аналогах изобретения водотвердое отношение (В/Т) раствора смеси подбирается эмпирически, исходя из требований к его текучести и не согласуется с количеством жидкости, содержащейся в пене. Такой способ определения В/Т увеличивает объем лабораторных работ, проводимых с целью устранения осадки пенобетонной смеси из-за избытка в ней воды. При использовании пен с высоким содержанием жидкости (пены низкой кратности менее 17) применяются цементные растворы смеси с меньшим диаметром расплыва по Суттарду, чем требует прототип.
В пенобетоне раствор на гидратационном вяжущем заключен в межпоровом пространстве, ограниченном дифильными молекулами пенообразователя. При адсорбции на зернах цемента, молекулы пенообразователя понижают смачиваемость его поверхности и препятствуют гидратации вяжущего компонента. Для обеспечения условий нормального течения процессов гидратации зерно цемента в межпоровой перегородке, должно быть окружено прослойкой чистой воды, не содержащей молекулы пенообразователя.
Обеспечение требуемой аналогами текучести смеси за счет пластификатора при одновременном снижении количества воды в пенобетонной смеси может привести к исчезновению прослойки чистой воды вокруг цементного зерна с последующей адсорбцией молекул пенообразователя на его поверхности и блокировкой процессов гидратации.
Таким образом, В/Т раствора смеси должно быть согласовано с количеством жидкости раствора пены, а общее количество воды пенобетонной смеси определено с учетом среды, необходимой для гидратации цемента.
Отличием предлагаемого способа от предыдущих является определение количества воды в пенобетонной смеси расчетным путем и применение пластификатора в зависимости от объема межпорового пространства, обусловленного размером зерна вяжущего компонента. Последовательность расчета компонентов пенобетонной смеси, приведенная в изобретении, позволяет согласовать количество воды, содержащееся в пене с количеством затворителя цементной смеси.
Раскрытие сущности изобретения.
Введение условия применения пластификатора и определение оптимального количества воды в пенобетонной смеси расчетным способом в зависимости от объема межпорового пространства позволит избежать нецелесообразное использование сырьевых компонентов и сократить объем лабораторных работ при подборе состава теплоизоляционного пенобетона.
Для протекания процессов гидратации и образования структуры пенобетона с замкнутыми порами необходимо соблюсти условия: толщина межпоровой перегородки должна превышать размер зерна цемента, а между поверхностью вяжущего компонента и межфазным слоем воздух-вода должна присутствовать прослойка чистой воды (без молекул пенообразователя). При этом объем межпорового пространства должен быть абсолютно заполнен, чтобы исключить перераспределение воды внутрь межпоровой перегородки от поверхности раздела.
Содержание твердой составляющей (цемента и наполнителя) в пенобетонной смеси ограничено средней плотностью пенобетона. Поэтому оставшаяся доля объема межпорового пространства приходится на долю воды, независимо от источника ее поступления, которым является вода в растворе пены или вода затворения цементного раствора.
В отличие от прототипа, где в первую очередь определяется В/Т раствора смеси, в предлагаемом способе вначале рассчитывают содержание общего количества воды пенобетонной смеси, необходимого для абсолютного заполнения межпорового пространства. Только после определения общего количества воды в пенобетонной смеси вычисляют количество воды для раствора пены и далее водотвердое отношение цементного раствора. Данная последовательность расчета позволяет согласовать количество воды, содержащееся в пене с количеством затворителя цементной смеси.
3
Общее количество воды в пенобетонной смеси определяется расчетным способом с помощью метода абсолютных объемов из объема межпорового пространства, обусловленного размером зерна вяжущего компонента. Общее количество воды в 1м пенобетонной смеси составляет:
где:
3
- общее количество воды в 1м пенобетонной смеси, л;
3
3
- объем межпорового пространства в 1м пенобетонной смеси, м;
3
- расход вяжущего компонента на 1м пенобетонной смеси, кг;
3
- расход наполнителя на 1м пенобетонной смеси, кг;
3
- истинная плотность вяжущего компонента, кг/м;
3
- истинная плотность наполнителя, кг/м.
3
Объем межпорового пространства в 1м пенобетонной смеси представляет сумму объема пространства между плотно упакованными порами без перегородки между ними и объема покрытия пор, обуславливающего толщину межпоровой перегородки.
где:
3
3
- объем межпорового пространства в 1м пенобетонной смеси, м;
3
3
- объем пространства между плотно упакованными порами без перегородки между ними в 1м, м. Согласно теории плотнейших упаковок, при допущении, что все поры (ячейки) пенобетона одного размера (при пористости материала более 74% сферические поры трансформируются в правильные додекаэдры)   составляет:
3
-  0,26 при пористости пенобетона менее 74% (пенобетоны средней плотностью 300 кг/м и выше);
3
- 0,141 при пористости пенобетона более 74% (пенобетоны средней плотностью ниже 300 кг/м, в которых сферические поры трансформированы в многогранники).
3
3
-  объем покрытия пор радиусом  в 1м пенобетона, м. При трансформации пор в правильный додекаэдр за радиус поры учитывается радиус вписанной сферы
3
Объем покрытия пор представляет произведение толщины покрытия пор раствором на площадь поверхности всех пор в 1 м пенобетонной смеси:
где:
3
3
- объем покрытия пор радиусом  (в 1м пенобетонной смеси, м;
- толщина покрытия поры радиусом  ( раствором смеси, мм;
- коэффициент перевода единиц, миллиметры в метры;
2
- площадь поверхности одной поры, ограниченная радиусом  или радиусом вписанной сферы при трансформации пор в многогранники , мм;
- коэффициент перевода единиц, квадратных миллиметров в квадратные метры;
3
- количество пор в 1м пенобетонной смеси, шт.
Толщина покрытия поры представляет половину толщины межпоровой перегородки:
где:
- толщина покрытия поры радиусом  (раствором смеси, мм;
Т - толщина межпоровой перегородки, мм. Для рядового портландцемента принимается от 0,02 до 0,08 мм (меньшее значение для пенобетона на синтетическом пенообразователе, большее для пенобетона на белковом пенообразователе); для остальных вяжущих T принимается равным не менее среднему размеру зерна.
Площадь поверхности одной поры   зависит от формы поры и определяется как площадь поверхности сферы радиусом  или как площадь поверхности правильного додекаэдра с радиусом вписанной сферы :
- при сферических порах
где:
2
- площадь поверхности одной поры, мм;
- константа, равная 3,14;
- радиус поры, мм;
- толщина покрытия поры, мм;
- при трансформировании пор в многогранники (принято допущение, что многогранником является правильный додекаэдр)
где:
2
- площадь поверхности одной поры, мм;
- радиус вписанной сферы в правильный додекаэдр, мм;
- толщина покрытия поры, мм.
Предварительно  ипринимаются в зависимости от марки по средней плотности пенобетона и природы пенообразователя:
- от 0,5 до 1,5 мм для пенобетона марки по средней плотности D300 и ниже (нижний предел при использовании синтетического пенообразователя, верхний предел при использовании протеинового);
- от 0,15 до 0,5 мм для пенобетона марки по средней плотности выше D300 (нижний предел при использовании синтетического пенообразователя, верхний предел при использовании протеинового).
3
Количество пор в 1м пенобетонной смеси представляет отношение объема пористости пенобетонной смеси к объему одной поры:
где:
3
- количество пор в 1 м пенобетонной смеси, шт.
3
3
- объем пор в 1м пенобетонной смеси, м;
3
- объем одной поры (ячейки), мм;
- коэффициент перевода единиц, кубических миллиметров в кубические метры;
3
Объем пор в 1м пенобетонной смеси представляет разницу между объемом пенобетонной смеси и объемом межпорового пространства.
где:
3
3
- объем пор в 1м пенобетонной смеси, м;
3
3
- объем межпорового пространства в 1м пенобетонной смеси, м.
Объем одной поры (ячейки)  зависит от ее формы и определяется:
- при сферических порах
где:
3
- объем одной поры, мм;
- константа, равная 3,14
- радиус поры, мм;
- при трансформации пор в многогранники (правильный додекаэдр)
где:
3
- объем поры (ячейки) формы правильного додекаэдра, мм;
- радиус вписанной сферы в правильный додекаэдр, мм
При подстановке всех значений в формулу объема межпорового пространства выражение примет вид:
- при сферических порах (пенобетоны марки по средней плотности D300 и выше)
- при трансформации пор в многогранники (пенобетон марки по средней плотности ниже D300)
3
После преобразований объем межпорового пространства в 1м пенобетонной смеси рассчитывается по формуле следующего вида:
где:
3
- объем межпорового пространства, м;
- толщина покрытия поры, мм;
- радиус поры, мм;
3
- объем пространства между плотно упакованными порами без перегородки между ними, м.
Масса твердых компонентов определяется исходя из средней плотности пенобетона и коэффициента, учитывающего гидратную воду.
3
Расход вяжущего компонента на 1м пенобетонной смеси определяется по формуле:
где:
3
- расход вяжущего на 1 м пенобетонной смеси, кг;
3
- заданная средняя плотность пенобетона (ячеистого бетона), кг/м;
- коэффициент, учитывающий гидратную и адсорбированную воду, равный 1,15;
- число весовых частей наполнителя на одну весовую часть вяжущего.
3
Расход наполнителя на 1м пенобетонной смеси определяется по формуле:
где:
3
- масса наполнителя на 1мпенобетонной смеси, кг;
3
- масса вяжущего на 1 м пенобетонной смеси, кг;
- число весовых частей наполнителя на одну весовую часть вяжущего.
3
Количество воды для приготовления раствора пены на 1 мпенобетонной смеси составляет:
где:
3
- расход воды для приготовления раствора пены на 1м пенобетонной смеси, кг;
- число весовых частей воды на одну весовую часть пенообразователя в растворе пены;
3
ПК - количество пенообразователя в растворе пены на 1м пенобетонной смеси, кг.
Концентрация раствора пены выбирается из трех вариантов. При использовании синтетического пенообразователя рекомендуемые варианты концентрации раствора пены - с числами n равными 30, 50, 70. При использовании биологического - с числами n равными 5,10, 15. Расчет производят для каждого варианта.
3
Количество пенообразователя в растворе пены на 1 м пенобетонной смеси составляет:
где:
3
- количество пенообразователя в растворе пены на 1м пенобетонной смеси, кг;
3
3
- расход раствора пены на 1м пенобетонной смеси, м;
3
- плотность раствора пены, кг/м;
- число весовых частей воды на одну весовую часть пенообразователя в растворе пены.
3
Расход раствора пены на 1м пенобетонной смеси составляет:
где:
3
3
- расход раствора пены на 1м пенобетонной смеси, м;
3
3
- объем межпорового пространства в 1м пенобетонной смеси, м;
- коэффициент выхода пены (кратность пены).
Водотвердое отношение раствора смеси определяют по формуле:
где:
- водотвердое отношение раствора смеси;
3
- общее количество воды в 1м пенобетонной смеси, кг;
3
- расход воды для приготовления раствора пены на 1 м пенобетонной смеси, кг;
3
- расход вяжущего компонента на 1м пенобетонной смеси, кг;
3
- расход наполнителя в 1м пенобетонной смеси, кг.
При этом производят три пробных замеса с различной концентрацией раствора пены. Фиксируют получившийся объем пенобетонной смеси, ее устойчивость, средний диаметр поры и среднюю толщину межпоровой перегородки затвердевшего пенобетона.
Рассчитывают коэффициент использования пены α:
где:
α - коэффициент использования пены;
ф
3
V - фактический объем пенобетонной смеси; м;
3
V - расчетный объем пенобетонной смеси, равный 1 м.
При коэффициенте использования пены α отличным от единицы уточняют расход раствора пены, его составляющие и В/Т по следующим формулам.
3
Формула уточненного расхода раствора пены на 1м пенобетонной смеси:
где:
3
3
- уточненный расход раствора пены (с учетом коэффициента использования пены α) на 1м пенобетонной смеси, м;
3
3
- расход раствора пены на 1м пенобетонной смеси, м;
- коэффициент использования пены.
3
Формула уточненного расхода пенообразователя для приготовления раствора пены на 1м пенобетонной смеси:
где:
3
- уточненный расход пенообразователя на 1 м пенобетонной смеси, кг;
3
3
- уточненный расход раствора пены (с учетом коэффициента использования пены α) на 1м пенобетонной смеси, м;
3
- плотность раствора пены, кг/м;
- число весовых частей воды на одну весовую часть пенообразователя в растворе пены;
3
Формула уточненного количества воды для приготовления раствора пены на 1 м пенобетонной смеси:
где:
3
- уточненное количество воды для приготовления раствора пены на 1м пенобетонной смеси, кг;
- число весовых частей воды на одну весовую часть пенообразователя в растворе пены;
3
- уточненный расход пенообразователя на 1м пенобетонной смеси, кг.
Формула уточненного водотвердого отношения раствора смеси (с учетом коэффициента использования пены α):
где:
- уточненное водотвердое отношение (с учетом коэффициента использования пены α);
3
- общее количество воды в 1м пенобетонной смеси, кг;
3
- уточненное количество воды для приготовления раствора пены на 1м пенобетонной смеси, кг;
3
- расход вяжущего компонента на 1м пенобетонной смеси, кг;
3
- расход наполнителя в 1м пенобетонной смеси, кг.
Выбирают концентрацию раствора пены, при которой обеспечивается устойчивость пенобетонной смеси с наименьшим количеством пенообразователя в ней.
При существенном отличии фактического диаметра поры и толщины межпоровой перегородки от предварительно принятых значений, производят перерасчет состава.
В случае необходимости увеличения текучести смеси с найденным В/Т возможно применение пластификаторов при сохранении условия, что сумма абсолютных объемов всех компонентов пенобетонной смеси равна объему межпорового пространства:
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты:
- расчет всех компонентов состава пенобетона с обеспечением замкнутой пористости;
- сокращение объема лабораторных работ.
- снижение адсорбции молекул пенообразователя на зернах цемента и сохранение потенциала вяжущего компонента.
Осуществление изобретения.
Изобретение применено в подборе состава теплоизоляционного пенобетона марки по средней плотности D300 при использовании следующих сырьевых компонентов:
3
- цемент марки ЦЕМ I 42,5 Н ГОСТ 31108-2003 (ПЦ-500-Д0, ГОСТ 10178-85) АО «Ангарскцемент» г. Ангарск; истинная плотность 3100 кг/м
- пенообразователь «ПентаПАВ-430», марка А, ТУ 2481-019-40245042-01. При концентрации раствора пены с числом  равным 30, 50, 70, коэффициент кратности пены  составил 31, 28, 16 соответственно.
3
4.1. Объем межпорового пространства в 1 м пенобетонной смеси:
3
4.2. Расход вяжущего на 1м пенобетонной смеси определяется по формуле:
3
4.3. Общее количество воды в 1м пенобетонной смеси составляет:
3
4.4. Расход раствора пены на 1м пенобетонной смеси составляет:
с числом  равным 30
с числом  равным 50
с числом  равным 70
3
4.5. Количество пенообразователя в растворе пены на 1 м пенобетонной смеси составляет:
с числом  равным 30
с числом  равным 50
с числом  равным 70
3
4.6. Количество воды для раствора пены на 1м пенобетонной смеси составляет:
с числом  равным 30
с числом  равным 50
с числом  равным 70
4.7. Определение водотвердого отношения раствора смеси:
с числом  равным 30
с числом  равным 50
с числом  равным 70
4.8. Коэффициент использования пены  :
с числом  равным 30
с числом  равным 50
с числом  равным 70
3
Так как коэффициент использования пены  равен одному значению - единице, уточнение расхода раствора пены, его составляющих на 1м пенобетонной смеси и В/Т раствора смеси не требуется.
3
Выбираем раствор пены с числом  равным 50, обеспечивающего устойчивость смеси при наименьшем расходе пенообразователя (0,49 кг) на 1м пенобетонной смеси.
3
4.9. Окончательный состав теплоизоляционного пенобетона марки по средней плотности D300 (расход материалов на 1м пенобетонной смеси), следующий:
Цемент - 261 кг
Вода для раствора смеси - 193 л
В/Т раствора смеси - 0,74
Пенообразователь - 0,49 кг
Вода для раствора пены - 25 кг
При значении водотвердого отношения 0,74 необходимость в пластификации раствора смеси отсутствует.