Высокопоризованные ячеистые бетоны для эффективных теплоизоляционных плит

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691.327.33:699.86

Е.М. ЧЕРНЫШОВ, докт. техн. наук, профессор, академик РААСН,

Ю.А. НЕУПОКОЕВ,

Н.Д. ПОТАМОШНЕВА, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, Воронежский ГАСУ, Воронеж

ВЫСОКОПОРИЗОВАННЫЕ ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЛИТ

В работе представлены результаты получения высокопоризованных ячеистых бетонов для эффективных теплоизоляционных плит. Рассмотрен механизм деформирования и разрушения материала при одноосном сжатии, обоснована необходимость введения в работу упрочняющего слоя, определены предельные нагрузки при продавливании и прирост прочности высокопоризованного ячеистого бетона при нанесении поверхностного защитно-упрочняющего покрытия.

Повышение эффективности ячеистых бетонов как теплоизоляционных материалов состоит прежде всего в предельно возможном уменьшении их средней плотности с одновременным обеспечением требуемого уровня прочностных показателей, необходимого для изготовления из них изделий в виде плит, скорлуп и т.п. При этом речь идет о таких решениях, которые позволили бы, во-первых, приблизить их теплотехнические характеристики к показателям полимерных теплоизоляционных материалов, во-вторых, обеспечить одновременно с этим и реализацию преимуществ, заложенных в неорганической основе твердой фазы ячеистых бетонов. Эти преимущества состоят в доступности и меньшей стоимости исходного сырья, в возможности обеспечения значительно более высокой предельной температуры применения теплоизоляционных изделий (если для органических материалов она составляет всего 60-180 °С, то для неорганических - не ниже 400 °С), и что особенно важно, в высокой экологичности материалов с неорганической основой.

В работах [1-4] показана принципиальная возможность получения высокопоризованных неорганических композитов со средней плотностью 300 кг/м3 и менее. Достижение таких пониженных значений определяется преобразованием, переходом формы макропор из сферических в многогранниковые. Граница подобного перехода для материалов с конгломератным типом строения матрицы, к коим относятся микрозернистые неорганические системы твердения, находится в области значений средних плотностей 250-300 кг/м3 [4]. Критерием такого перехода служит коэффициент плотности упаковки макропор (у):

© Е.М. Чернышов, Ю.А. Неупокоев, Н.Д. Потамошнева, 2007

У = Нт ^мап ,

5^0

где 5 - средняя толщина межпоровой перегородки; Умап - объемная доля мак-ропор в системе.

Значение этого коэффициента у = 0,812 можно назвать критическим: при его превышении существование структур материала со сферической формой наполняющих его пор (рис. 1, а) становится невозможным, так как происходит их деформация в многогранники (рис. 1, б); по мере приближения коэффициента упаковки к у^1, закономерным оказывается формирование объемно-стержневой структуры (рис. 1, в). Именно такое преобразование системы макропор при у > 0,812 может служить основанием для введения термина «высокопоризованные ячеистые бетоны».

а б в

Рис. 1. Модели насыщенных порами структур:

а - гексагональная сферическая, у < 0,812; б - гексагональная многограннико-вая, у > 0,812; в - объемно-стержневая, у^1

В ранее выполненных нами исследованиях обоснованы технологические условия получения силикатного ячеистого бетона средней плотностью 250-300 кг/м3; в последующих разработках решена задача «конструирования» структур и обоснования принципов изготовления ультралегковесного силикатного ячеистого бетона (теплопора) со средней плотностью 75-150 кг/м3 [5, 6]; в дальнейшем были осуществлены исследования [7-9] технологии вы-сокопоризованных материалов на гипсовом и цементом вяжущем (табл. 1).

Таблица 1

Основные характеристики высокопоризованных ячеистых бетонов для эффективных теплоизоляционных плит

Разновидность высокопоризован-ного ячеистого бетона Средняя плотность твердой фазы матрицы, кг/м3 Средняя плотность ячеистого бетона, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) Предел прочности на сжатие, МПа Максимальная температура применения, °С

1. Силикатный автоклавный 2400-2600 100-200 0,045-0,055 0,3-0,5 и 400

200-300 0,055-0,065 ,0 ,5 0,

2. Цементный неавтоклавный 2500-2700 200-300 0,055-0,07 0,3-0,6 и 400

3. Гипсовый 2200-2400 И 300 и 0,07 0,3-0,5 100-120

Материалы со средней плотностью 250-300 кг/м3 и менее отличает особый характер разрушения при механическом нагружении. И это определяется именно формой макропор [10]. Особый характер разрушения имеет значение для работоспособности теплоизоляционных плит из таких материалов и должен соответственно учитываться.

Механизм деформирования и разрушения при одноосном сжатии исследовался с помощью тензометрической системы СИИТ-3 на образцах-призмах размером 50x50x100 мм (Н/Ъ = 2). При этом оценивалось послойное деформирование материала при нагружении образцов, для чего образец был условно поделен по высоте на 5 слоев (по 20 мм каждый). Тензодатчики с базой измерений Н = 20 мм наклеивались так, чтобы база измерений каждого совпадала с соответствующим условным слоем призмы. Схема установки тензодатчиков, полученные значения максимальных продольных относительных деформаций для цементного неавтоклавного ячеистого бетона средней плотности 250 и 500 кг/м3 представлены на рис. 2.

а)

Р

150

границы измерении деформаций

I

- 193

- 39 | 1 1 1 1 1

и г* 3 - Ь-

а 3 3 - П4

- 143

условные слои

разрушение смятием приопорной области

Рис. 2. Значения максимальных продольных относительных деформаций слоев при осевом сжатии:

а - для средней плотности 500 кг/м3; б - для средней плотности 250 кг/м3

Установлено, что основным и принципиальным отличием в механизме деформирования и разрушения высокопоризованных материалов (материалов с многогранниковой формой пор) является то, что при приложении к ним нагрузки не происходит распределения напряжений по всему объему материала, что характерно для более плотного материала, и разрушение захватывает межпоровые перегородки (мембраны), находящиеся в приопорной части, то есть непосредственно вблизи места приложения нагрузки. Напряжения и деформации локализуются, главным образом, в этих зонах (см. рис. 2, б). Если

рассматривать материал как своего рода преобразователь, «трансформатор» внешней нагрузки во внутренние напряжения, то применительно к высокопо-ризованному бетону можно говорить об эффекте «торможения и гашения напряжений» в определенных макрообластях.

Эффект «локальности разрушения» высокопоризованных материалов смятием в приопорной части требует определения условий, так сказать, противодействия этому путем поверхностного упрочнения бетона в изделиях. В этой связи проведены исследования влияния обработки поверхности материала на прочностные свойства теплоизоляционных плит. При постановке экспериментов учитывалось, что эффективность практического применения высокопоризо-ванного бетона может быть существенно повышена, а область его применения расширена при нанесении на поверхность упрочняющих слоев из мастик, бумаги, пленочных материалов и др.

Выбор вида упрочняющего слоя может определяться конкретным назначением плит и соответственно условиями эксплуатации. В целом, упрочнение поверхности плит может рассматриваться также и с точки зрения экранирования, защиты материала от физико-климатических факторов среды, с точки зрения придания декоративных свойств изделиям.

Опытные плиты из высокопоризованного силикатного ячеистого бетона размером 160x160x50 мм проходили обработку поверхности, выдерживались до момента затвердевания упрочняющего слоя и испытывались на местное разрушение (продавливание) металлическим индентором (штампом) диаметром 50 мм. На рис. 3 приведены схемы трех возможных вариантов исполнения упрочняющих покрытий. В проведенных испытаниях рассматривался I тип нанесения упрочняющего покрытия как наиболее простой в изготовлении.

упрочняющее

а1+а2 ' ^

/ м ш

\У

бетон

металлическая

I

Рис. 3. Схемы вариантов исполнения упрочняющих покрытий

Установлено, что применение покрытия может быть весьма эффективным с точки зрения упрочнения теплоизоляционных плит из высокопоризо-ванного материала (табл. 2). В частности, нанесение покрытия из крафт-бумаги и конденсаторной бумаги по клеящему слою мастики КН-3 позволяет повысить прочность на смятие и продавливание более чем в 3 раза, а применение алюминиевой фольги - в 5 раз (рис. 4, 5).

Таблица 2

Упрочнение силикатного ячеистого бетона средней плотностью 150 кг/м3 при нанесении поверхностного защитно-упрочняющего покрытия

№ Вид поверхностного покрытия (вариант исполнения I) Предельная нагрузка при продавливании, МПа Прирост прочности на продавливание, %

1 Без покрытия 0,32 -

2 Битумно-глинистая паста 5ус = 0,5-1 мм 0,34 5

3 Мастика КН-3 5ус = 0,5-1 мм 0,38 20

4 Крафт-бумага в один слой на мастике КН-3 0,88 275

5 Конденсаторная бумага на мастике КН-3 1,0 315

6 Алюминиевая фольга на мастике КН-3 1,58 495

Примечание. 5ус - толщина упрочняющего слоя.

Следует особо отметить, что при действии штампа на плиту с покрытием может существовать два основных типа локального разрушения.

сЗ о « с ^ § & І з э

? Я

3 <й

е И ^ к & й и Ч

й

а 5

с §

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

1

Рис.

2 3 4 5 6

Вид покрытия

4. Предельная нагрузка при продавливании штампом опытных плит теплопора с различным поверхностным упрочняющим покрытием

Вид покрытия

Рис. 5. Прирост прочности на продавливание штампом опытных плит теплопора с различным поверхностным упрочняющим покрытием

Первый заключается в разрыве упрочняющего слоя по периметру штампа-индентора, а затем уже в смятии собственно материала. Такой характер разрушения присущ видам, имеющим в качестве упрочняющего слоя преимущественно мастичные хрупкие материалы (обмазки, штукатурки и др.).

Второй тип заключается в отрыве упрочняющего поверхностного покрытия по площади его контакта с плитой и вдавливании покрытия в сминаемый штампом высокопоризованный материал. Это наблюдается в случае применения пленочных покрытий с хорошей прочностью на разрыв, но с недостаточной площадью контакта покрытия с основным материалом или в случае применения неэффективных клеящих составов, когда прочность сцепления покрытия с основным материалом оказывается недостаточной для противодействия сдвигающим напряжениям.

Представленные вероятные типы локального разрушения предопределяют необходимость отыскания рациональных решений относительно варианта исполнения (рис. 3), вида покрытия, условий повышения прочности контакта покрытия с высокопоризованным материалом, возможно, специальной «анкеровки» (заделки) покрытия и др. Вместе с этим очевидно, что перспективы создания эффективных теплоизоляционных изделий на основе высоко-поризованных неорганических материалов имеются. Целесообразность применения того или иного решения будет обусловлена конкретными эксплута-ционными требованиями к изделию, вытекающими из его назначения. Для этого понадобится учесть такие свойства, как декоративность, паро- и воздухопроницаемость, термостойкость, огнестойкость и т.п.

Библиографический список

1. Шумков, А.И. Формирование структуры ячеистых материалов / А.И. Шумков // Известия вузов. - № 5. - 1966. - С. 76-83.

2. Горлов, Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов / Ю.П. Горлов, А.П. Меркин,

А.А. Устенко. - М. : Стройиздат, 1980. - 399 с.

3. Руководство по технологии изготовления ячеистого бетона плотностью 250-300 кг/м3. -М., 1977.

4. Разработать технологию теплоизоляционного газосиликата средней плотности 200 кг/м3 и подготовить расчетно-обосновывающие материалы по организации производства изделий: отчет о НИР (заключит.) / рук. Е.М. Чернышов. - Воронеж, 1985. - 60 с. -№ ГР 01.85.0 054144.

5. А. с. 568614 (СССР). Ячеистобетонная смесь / Федин, А.А., Чернышов, Е.М., Крохин,

A.М., Зуев, Б.М., Коноплин, В.А.

6. А. с. 831765 (СССР). Способ изготовления известково-кремнеземистых теплоизоляционных изделий / Федин, А.А., Чернышов, Е.М., Крохин, А.М., Зуев, Б.М., Коноплин,

B.А., Жданов, Г.Ф.

7. Исследование процессов структурообразования и закономерностей материаловедения строительных композитов с учетом новых технико-экономических требований в строительном комплексе: отчет о НИР (промежут.), кн. 7 / Воронежская гос. арх.-стр. академия (ВГАСА); рук. Е.М. Чернышов. - Воронеж, 1997. - 50 с. - № ГР 01.970.000474.

8. Исследование закономерных взаимосвязей свойств строительных композитов на известковых, цементных, керамических, полимерных связующих с их составом, структурой и состоянием: отчет о НИР (промежут.), кн. 3 / Воронежская гос. арх.-стр. академия (ВГАСА); рук. Е.М. Чернышов. - Воронеж, 1998. - 83 с. - № ГР 01.970.000474.

9. Исследование условий оптимизации технологических параметров получения экологически чистых ресурсоэкономичных строительных композитов: отчет о НИР (промежут.), кн. 3 / Воронежская гос. арх.-стр. академия (ВГАСА); рук. Е.М. Чернышов. - Воронеж, 1999. - 105 с. - № ГР 01.970.000474.

10. Чернышов, Е.М. Особенности строения, закономерности деформирования и разрушения высокопоризованных неорганических композитов / Е.М Чернышов, Е.И. Дьяченко, Ю.А. Неупокоев // Мат-лы Шестых академических чтений: современные проблемы строительного материаловедения. - Иваново, 2000. - С. 572 - 580.

E.M. CHERNYSHOV, Yu.A. NEUPOKOEV, N.D. POTAMOSHNEVA

HIGHLY-POROUS FOAMED CONCRETES FOR EFFICIENT HEAT-INSULATIG SLABS

The resuts of obtaining the highly-porous foamed concretes for efficient heat-insulating slabs are presented in the paper. The mechanism of straining and destruction of material at uniaxial pressure was considered, the limit loading at pressing through and the increse of durability of highly-porous foamed concrete at application of the surface protective coating were determined.