Автоклавный газобетон с наноструктурированным модификатором алюмосиликатного состава

УДК 691.327.332:539.2

В.В. НЕЛЮБОВА, канд. техн. наук

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Автоклавный газобетон с наноструктурированным модификатором алюмосиликатного состава*

Обоснована эффективность применения наноструктурированного модификатора алюмосиликатного состава на основе магматического кислого сырья - гранита. Показано увеличение физико-механических и эксплуатационных показателей модифицированных композитов, что обусловлено оптимизацией реологических характеристик смеси, интенсификацией структурообразования, а также формированием рационального состава разноразмерных новообразований в процессах фазообразования в гидротермальных условиях. Поровое пространство разработанных композитов отличается гетеропористой структурой с уплотненной межпоровой перегородкой, что обусловливает снижение плотности изделий при сохранении их прочности. Результаты исследований позволили предложить составы газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора, применяемого взамен цемента в составах формовочных смесей, позволяющие получать материалы теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения с высокими изолирующими и прочностными характеристиками при сниженной себестоимости.

Ключевые слова: газобетон, автоклавная обработка, модификатор, алюмосиликатное сырье, гранит, микроструктура.

V.V. NELUBOVA, Candidate of Sciences

Autoclave Gas Concrete with Nanostructured Aluminosilicate Modifier*

The efficiency of application of aluminosilicate modifier based on magmatic acid rock - granite is demonstrated. Enhancement of physical, mechanical and performance characteristics of modified composites associated with optimization of rheological properties of binding mixture, acceleration of structure formation process as well as formation of rational composition with heterosize new phases under hydrothermal conditions is shown. Pore space of the developed composites is characterized by heteroporous structure with impact interpore partition explaining the reducing of final product density when their strength is constant. Results of the study allow proposing autoclave gas concrete compositions with nanostructured modifier using for cement in molding mixtures. It allows production the heat-insulating and structural-heat-insulating materials with high isolation and strength at reduced cost.

Keywords: gas concrete, autoclave curing, modifier, aluminosilicate raw materials, granite, microstructure

На сегодняшний день силикатный автоклавный газобетон является одним из наиболее популярных стеновых строительных материалов в сфере индивидуального жилого строительства. Теплоизоляционно-конструкционный газобетон выгодно сочетает в себе необходимые показатели теплопроводности и достаточную прочность для возведения несущих конструкций зданий. Автоклавный газобетон прочно обосновался на рынке строительных материалов, с каждым годом прибавляя в темпах развития и увеличения объемов производства.

Тем не менее, согласно современной технологии получения газобетона, существует необходимость использования цемента в качестве основного структуро-формирующего компонента в доавтоклавный период. Это приводит к увеличению себестоимости производства продукции. Работами коллектива доказана эффективность использования наноструктурированного модификатора для повышения эффективности производства материалов автоклавного твердения, однако рассмотрению подвергался модификатор силикатного состава, полученный на основе кварцевого песка [1—4]. Стоит отметить, что автоклавирование газобетона с различным содержанием цемента в его составе приводит к формированию условий для образования высокоосновных гидросиликатов кальция [5]. В частности, отмечается образование a-C2SH. Кристаллизация в вяжущей системе а-С^Н-образований негативно влияет на прочностные свойства. Это обусловлено тем, что данные новообразования характеризуются ортосиликатной

(островной) структурой, в ней отсутствуют распространенные по всему объему кристалла высокоэнергетич-ные мостиковые связи Si—О—Si. В связи с этим задача частичной или полной замены цемента на менее дорогие эффективные добавки все еще актуальна.

С целью расширения сырьевой базы, а также утилизации отходов производств в последние годы для получения материалов автоклавного твердения активно используется сырье алюмосиликатного состава. В частности, по данным Национальной ассоциации автоклавного газобетона [6], около 10% существующих заводов используют высококальциевые золы-уноса, формирующиеся при сжигании угля на теплоэлектростанциях, в качестве активного компонента материалов автоклавного твердения. Это позволяет существенно экономить ресурсы, а также частично решить проблему утилизации отходов. Исследованиями ученых БГТУ им. В.Г. Шухова [7—12] доказана эффективность использования некондиционного, в том числе техногенного, сырья, содержащего в своем составе существенное количество глинистых минералов незавершенной степени минералообразования, для получения кирпича и газобетона автоклавного твердения.

Тем не менее интрузивные породы алюмосиликатного состава — граниты для получения автоклавных материалов до настоящего времени не использовались, что связано с незначительным содержанием кварцевой составляющей и отсутствием аморфной фазы, обеспечивающей высокую активность вещества в условиях гидротермальной обработки. Результаты, полученные в

*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, а также в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.

* This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, as well as in the framework of the Strategic Development Program BSTU named after V.G. Shukhov.

научно-технический и производственный журнал

Содержание модификатора,% Плотность, кг/м3 Марка по плотности Предел прочности при сжатии, МПа Класс по прочности Теплопроводность, Вт/

0 530 D500 4,16 В3,5 0,122 0,12

10 522 D500 5,12 В5 0,118 0,12

20 512 D500 4,84 В3,5 0,115 0,12

30 505 D500 4,58 В3,5 0,112 0,12

40 470 D450 4,35 В3,5 0,102 0,108

50 454 D450 4,08 В2,5 0,098 0,108

100 415 D400 3,8 В2,5 0,084 0,096

работе [13], свидетельствует о существенной интенсификации процессов фазо- и структурообразования формовочных смесей, используемых для получения материалов автоклавного твердения. В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение эксплуатационных характеристик газобетона автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора, полученного на основе гранита.

Для оценки основных физико-механических характеристик образцов газобетона с использованием НМ его вводили в состав ячеисто-бетонной смеси взамен цемента в диапазоне 0—50% с шагом 10 и 100% (полное исключение цемента).

Отмечено (см. таблицу и рис. 1), что введение наноструктурированного модификатора приводит к некоторому снижению плотности массивов. Тем не менее при увеличении концентрации модификатора в системе до 30% от массы цемента марка по плотности остается прежней. Дальнейшее увеличение модификатора в составе газобетона приводит к снижению марки по плотности материала с D500 до D450 при сохранении класса по прочности. Снижение плотности материалов обусловлено изменением реологических характеристик ячеисто-бетонной смеси, а также интенсификацией процессов вспучивания и газовыделения в присутствии наноструктурированного модификатора. Все это приводит к формированию оптимальной пористой структуры, что и сказывается на плотности изделий.

Необходимо отметить, что полное исключение цемента из состава позволяет получать ячеистые изделия теплоизоляционного класса. При этом запас прочности таких изделий достаточно большой. В настоящее время полномасштабный производственный выпуск таких изделий практически невозможен, поскольку для получения низкоплотных материалов необходимо практически полное исключение цемента из состава сырьевых компонентов. Это практически невозможно, так как приводит к снижению прочности сырца газобетона, и, как след-

р II 14J :л Ф:, ЯЛ :ЦО СВДерж^нив MugiiLt**. лиМ. %

Рис. 1. Физико-механические свойства газобетона в зависимости от содержания модификатора

ствие, к недостаточной прочности готовых изделий. В случае введения наноструктурированного модификатора взамен цемента активный компонент добавки выступает в качестве структуроформирующего компонента в процессе выдержки массивов до автоклавной обработки, что исключает снижение сырцовой прочности материалов. При этом модификатор вступает во взаимодействие с гидроксидом кальция с формированием разноразмерных новообразований различного состава, что в совокупности способствует не только первоначальному упрочнению массивов, но и повышению его эксплуатационных характеристик в атмосферных условиях.

Введение наноструктурированного модификатора, полученного на основе гранита, способствует также росту прочности готовых изделий. Так, введение НМ в диапазоне 20—40% приводит к незначительному увеличению предела прочности при сжатии по сравнению с контрольным составом и находится в пределах 5—15%. При этом класс по прочности остается прежним — В3,5. Дальнейшее увеличение концентрации модификатора в системе способствует сокращению прочностных характеристик и снижению класса по прочности до В2,5. Тем не менее, согласно ГОСТ 31359—2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия», газобетон конструкционно-теплоизоляционного назначения должен удовлетворять следующим требованиям: плотность в диапазоне D450—D700 с классом по прочности не ниже В1,5; газобетон теплоизоляционного назначения — плотность не выше D400 с прочностью не ниже В0,35. Четкая регламентация и соответствие плотности изделия его прочности в данном нормативном документе отсутствует. Еще одним документом, регламентирующим свойства ячеистых изделий, является ГОСТ 25485—89 «Бетоны ячеистые. Технические условия», в котором приводится соответствие прочностных свойств материалов в зависимости от их плотности. Так, для конструкционно-теплоизоляционного бетона автоклавного твердения плотностью D500 прочность должна быть не ниже В2,5, для теплоизоляционного композита плотностью D400 — не ниже В1,5. Согласно полученным данным, газобетон автоклавного твердения с использованием на-ноструктурированного модификатора полностью удовлетворяет требованиям обоих ГОСТов. При этом материалы обладают существенным запасом прочности: с учетом требований ГОСТ 31359—2007 для плотности D500 — в 2,3 раза, для D400 — в 7 раз; с учетом требований ГОСТ 25485-89 для плотностей D500 и D400 - в 1,5 раза.

Рациональным с точки зрения физико-механических характеристик готовых изделий является 10% содержание наноструктурированного модификатора в системе. В данном случае плотность изделий практически не изменяется (марка по плотности остается прежней). При этом класс по прочности повышается до В5, что превышает образцы контрольного состава на 25%.

Согласно нормативным документам для газобетона автоклавного твердения должны быть определены показатели теплопроводности, значение которых напрямую зависит от плотности и пористости изделий.

') научно-технический и производственный журнал

апрель 2016

Рис. 2. Микроструктура газобетона в зависимости от концентрации модификатора (%): а - 0 (контрольный состав); б - 10; в - 100

Изучение теплопроводности готовых образцов производилось методом цилиндрического зонда.

Введение модификатора приводит к снижению теплопроводности изделий (см. таблицу), что связано с рационализацией поровой структуры массивов. Это обусловлено оптимизацией реотехнологических характеристик газобетона в доавтоклавный период за счет корректировки гранулометрического состава ячеисто-бетонной смеси и снижения ее плотности. Следствием является увеличение вязкости системы и облегчение процессов вспучивания смеси за счет минимизации потери газа в процессе взаимодействия алюминиевой пасты со щелочной средой смеси.

Анализ структурных особенностей разработанного газобетона свидетельствует о существенном влиянии модифицирующего компонента на качество поровой пространства композита. Так, образцы контрольного состава характеризуются порами неправильной формы различного размера (рис. 2, а). Межпоровая перегородка отличается рыхлой структурой, существенной толщиной (400—500 мкм) с большим количеством полостей и пустот.

Ведение в систему наноструктурированного модификатора в количестве 10% от массы цемента приводит к формированию пор с более правильной геометрией, межпоровая перегородка существенных изменений не претерпела (рис. 2, б). Поры изолированы друг от друга, слияния не наблюдается. Их размер увеличивается наряду с возрастанием их количества на единицу площади. Увеличение диаметра пор приводит к уменьшению толщины межпоровой перегородки (до 300—400 мкм). В то же время это способствует уплотнению ее структуры и упрочнению по сравнению с контрольным составом, что препятствует формированию условий для слияния пор.

Полное исключение цемента из состава смеси способствует в первую очередь сокращению толщины межСписок литературы

1. Нелюбова В.В., Череватова А.В., Строкова В.В., Гончарова Т.Ю. Особенности структурообразования окрашенных силикатных материалов в присутствии наноструктурированного вяжущего // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 3. С. 28—32.

2. Нелюбова В.В., Жерновский И.В., Строкова В.В., Безродных М.В. Силикатные материалы автоклавного твердения с наноструктурированным модификатором в условиях высокотемпературных воздействий // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 8—9.

3. Нелюбова В.В., Алтынник Н.И., Строкова В.В., Подгорный И.И. Реотехнологические свойства яче-исто-бетонной смеси с использованием нанострук-турированного модификатора // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2014. № 2. С. 58—61.

поровой перегородки образцов в 2—3 раза по сравнению с образцами контрольного и экспериментальных составов с заменой цемента до 50%, что соответствует до 100—150 мкм (рис. 2, в). При этом образцы отличаются максимальным количеством пор на единицу площади порового пространства. Все это способствует снижению плотности изделий до минимальных значений.

Все указанные особенности обусловлены оптимизацией реологических характеристик ячеисто-бетонной смеси с обеспечением необходимых вязкопластичных свойств, в первую очередь пластической прочности, и интенсификацией процессов газообразования за счет введения наноструктурированного модификатора. Это обеспечивает создание условий для направленного движения газовых включений в результате реакции газообразующего агента со щелочной средой массива, что впоследствии приводит к формированию необходимой макропористой структуры изделий. Результатом указанных процессов становится увеличение прочностных и изолирующих свойств газобетона при сокращении его плотности как в случае конструкционно-теплоизоляционного, так и теплоизоляционного назначения.

Таким образом, использование наноструктуриро-ванного модификатора на основе гранита способствует получению газобетона автоклавного твердения различного назначения — теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного: плотностью 415—522 кг/м3; пределом прочности при сжатии 3,8—5,12 МПа; паро-проницаемостью 0,207—0,265 мг/(мхчхПа); теплопроводностью 0,118—0,084 Вт/(мхоС). При этом все разработанные изделия полностью удовлетворяют требованиям всех существующих нормативных документов: марки по плотности D400—D500, классы по прочности B2,5—B5 и марки по морозостойкости F50—F100.

References

1. Nelyubova V.V., Cherevatova A.V., Strokova V.V., Goncharova T.Yu. Features of structure formation in colored silicate materials with nanostructured binder. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2010. No. 3, pp. 28-32. (In Russian).

2. Nelyubova V.V., Zhernovskiy I.V., Strokova V.V., Bezrodnykh M.V. Autoclave silicate materials with nanostructured modifier under high-temperature service. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 9, pp. 8-9. (In Russian).

3. Nelyubova V.V., Altynnik N.I., Strokova V.V., Podgorniy I.I. Rheological properties of cellular concrete mixture with nanostructured modifier. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2014. No. 2, pp. 58-61. (In Russian).

4. Nelyubova V.V., Strokova V.V., Altynnik N.I. Cellular autoclave composites with nanostructured modifier.

научно-технический и производственный журнал

4. Нелюбова В.В., Строкова В.В., Алтынник Н.И. Ячеистые композиты автоклавного твердения с использованием наноструктурированного модификатора // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 44—47.

5. Строкова В.В., Нелюбова В.В., Алтынник Н.И., Жерновский И.В., Осадчий Е.Г. Фазообразование в системе «цемент-известь-кремнезем» в гидротермальных условиях с использованием наноструктурированного модификатора // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 30-33.

6. Вишневский А.А., Гринфельд Г.И., Куликова Н.О. Анализ рынка автоклавного газобетона России // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 40-44.

7. Алфимова Н.И., Черкасов В.С. Перспективы использования отходов производства керамзита в строительном материаловедении // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 3. С. 21-24.

8. Алфимова Н.И., Шаповалов Н.Н. Материалы автоклавного твердения с использованием техногенного алюмосиликатного сырья // Фундаментальные исследования. 2013. № 6-3. С. 525-529.

9. Строкова В.В., Алфимова Н.И., Черкасов В.С., Шаповалов Н.Н. Прессованные материалы автоклавного твердения с использованием отходов производства керамзита // Строительные материалы. 2012. № 3 С. 14-15.

10. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Силикатные материалы автоклавного твердения на основе алюмосиликат-ного сырья как фактор оптимизации системы «Человек - материал - среда обитания» // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2014. № 3. С. 27-33.

11. Володченко А.Н. Изучение продуктов взаимодействия магнезиальной глины с известью при автоклавной обработке // Инновации в науке. 2014. № 30-1. С. 89-95.

12. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Реологические свойства газобетонной смеси на основе нетрадиционного сырья // Вестник Белгородского государственного технологиче-скогоуниверситета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 45-48.

13. Жерновский И.В., Нелюбова В.В., Строкова В.В., Осадчий Е.Г. Фазообразование вяжущих в системе «известь - гранитное НВ» в условиях автоклавного твердения // Строительные материалы. 2015. № 10. С. 49-53.

Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 5, pp. 44-47. (In Russian).

5. Strokova V.V., Nelyubova V.V., Altynnik N.I., Zhernovskiy I.V., Osadchiy E.G. Phase formation in the system «cement — lime — silica» under hydrothermal conditions with using of nanostructured modifier. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 9, pp. 30—33. (In Russian).

6. Vishnevskiy A.A., Grinfel'd G.I., Kulikova N.O. Review of Russian market of autoclave gas concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 40—44. (In Russian).

7. Alfimova N.I., Cherkasov V.S. Prospective of application of wastes from keramzit production in construction material science. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2010. No. 3, pp. 21—24. (In Russian).

8. Alfimova N.I., Shapovalov N.N. Autoclave materials with industrial aluminosilicate raw materials. Fundamental'nye issledovaniya. 2013. No. 6-3, pp. 525—529. (In Russian).

9. Strokova V.V., Alfimova N.I., Cherkasov V.S., Shapovalov N.N. Pressed autoclave materials with wastes from haydite production. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 3, pp. 14—15. (In Russian).

10. Volodchenko A.N., Lesovik V.S. Silicate autoclave materials on the base of aluminosilicate raw materials as optimization factor of the system «Human — material — environment». Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2014. No. 3, pp. 27—33. (In Russian).

11. Volodchenko A.N. Study of products of clay and lime interaction under autoclave curing. Innovatsii v nauke. 2014. No. 30-1, pp. 89—95. (In Russian).

12. Volodchenko A.N., Lesovik V.S. Rheological characteristics of gas concrete mixture on the base of non-conventional raw materials. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2012. No. 3, pp. 45—48. (In Russian).

13. Zhernovskiy I.V., Nelyubova V.V., Strokova V.V., Osadchiy E.G. Phase formation of binders in the system «lime — granite nanostructured binder». Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 10, pp. 49—53. (In Russian).

Уважаемые коллеги!

Подписку на журнал «Строительные материалы» всегда можно оформить через редакцию. Для этого необходимо прислать заявку в произвольной форме

по тел./факсу: (499) 976-22-08, 976-20-36 или по эл. почте: mail@rifsm.ru.

В заявке надо указать название организации (для выставления счета), юридический и почтовый адреса, телефон и контактное лицо.

Открыта подписка на электронную версию журнала:

http://rifsm.ru/page/5/

На почте подписку можно оформить

По объединенному каталогу «Пресса России»

индекс 70886

По каталогу агентства «Роспечать»

индекс 79809

il

научно-технический и производственный журнал

апрель 2016 75