Эффективный пеноблок на синтетическом пенопобразователе

ГОРБАЧ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

                                                   05.23.05 — Строительные материалы и изделия

                                                                      АВТОРЕФЕРАТ 
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Улан-Удэ
2007

Работа выполнена в Ангарской государственной технической академии

Научный руководитель — кандидат технических наук,
доцент
Урханова ариса Алексеевна

Официальные оппоненты — доктор технических наук,
профессор
Заяханов Михаил Егорович кандидат технических наук ,Цашицыренов Даши ,Цамбаевич

Ведущая организация: ООО «Предприятие Иркут-Инвест»
(г. Иркутск)

Защита состоится 30 октября 2007 г. в часов на заседании диссертационног совета Д 212.03901 при Восточно-Сибирском государственном технологическо университете по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского
государственного технологического университета.

Автореферат разослан 28 сентября 2007 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета Урханова ЛА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Концепция проектирования и строительства жилых домов нового поколения, предложенная РААСН, предусматривает свободную планировку и пере- компоновку, эксплуатационную надежность, экологическую безопасность, экономичность возведения и эксплуатации зданий и сооружений. Поэтому возникает потребность в легких, прочных и долговечных материалах с хорошими теплоизоляционными свойствами. К таким материалам можно отнести пенобетон.
Объемы производства пенобетонов ежегодно увеличиваются. Это объясняется сравнительно простой технологией, меньшими затратами энергии и сырья по сравнению с процессами получения других ячеистых бетонов и бетонов на пористых заполнителях. Представляется перспективным возможность применения побочных продуктов и отходов промышленности при получении пенобетона без ущерба для качества продукции, что способствует улучшению экологической ситуации.
В настоящее время отсутствуют научнообоснованные методы определения оптимального количества пенообразователя и водотвердого отношения исходной пенобетонной смеси, поэтому себестоимость и свойства промышленно выпускаемых пенобетонов изменяются в широких диапазонах.
Прочность неавтоклавного ячеистого бетона, как правило, ниже, чем у автоклавного газобетона, что не позволяет применять его в несущих конструкциях.
Кроме того, недостаточно изучены коллоидно-химические процессы, протекающие на первых стадиях получения пенобетона.
Актуальной является задача определения оптимального количества пенообразователя и водотвердого отношения исходной пенобетонной смеси с целью повышения прочности пенобетона и снижения его себестоимости.

Цель работы Целью работы является разработка практических основ производства неавтоклавного пенобетона на синтетическом пенообразователе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
— разработать научнообоснованный подход к выбору водотвердого отношения исходной смеси и получить уравнения для определения водотвердого отношения, необходимого для приготовления пенобетонов заданной прочности на основе различных заполнителей;
— изучить влияние выпускаемых промышленностью пенообразователей на прочность пенобетона и разработать способ определения оптимальной концентрации пенообразователя;
— исследовать влияние карбоксиметилцеллюлозы, золы-уноса и микрокремнезема на свойства пенобетона;
— разработать прибор для оперативного определения прочности пенобетона. Научная новизна
— разработан новый подход к определению состава пенобетона, заключающийся в научнообоснованном выборе водотвердого отношения исходной смеси и концентрации пенообразователя в составе пенобетона;
— предложен способ определения поверхностной активности пенообразователей, заключающийся н измерении критической концентрации мицеллообразования;
— определена критическая концентрация мицеллообразования наиболее известных пенообразователей;
— установлено влияние выпускаемых промышленностью пенообразователей и карбоксиметилцеллюлозы на свойства пенобетона;
— выявлено массовое соотношение микрокремнезем:зола, при котором прочность пенобетона увеличивается без повышения водопотребности смеси;
— получены уравнения, позволяющие определять водотвердое отношение исходной смеси, необходимое для приготовления пенобетонов заданной прочности в диапазоне 3-5 МПа.

Практическая значимость

            Разработаны и оптимизированы составы пенобетона с плотностью 700- 800 кг/м3 и прочностью, сопоставимой с прочностью автоклавного газобетона (3,5-5 МПа).
Результаты исследования активности пенообразователей позволяют обоснованно подойти к выбору концентрации поверхностно-активных веществ при промышленном производстве пенобетона.
Полученные уравнения по оптимизации составов пенобетонов могут использоваться для приготовления пенобетонов заданной прочности в диапазоне 3-5 МПа.
Разработан прибор, позволяющий быстрее известных аналогов неразрушающим методом определять прочность пенобетона.
Расширена сырьевая база для производства пенобетона, что позволяет снизить себестоимость продукции без ущерба для эксплуатационных показателей, а при крупнотоннажном производстве — улучшить экологическую ситуацию в Иркутской области.

Внедрение результатов исследований            Разработанные составы пенобетона используются ООО «Байкал-эко» (г. Ангарск) и ООО «Алеом» (г. Ангарск) при промышленном производстве пеноблоков и при монолитном строительстве. Продукция соответствует ГОСТ 25485-89.       Апробация работы             Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии», Братск (2005 г.); на международной научно-технической конференции «Инвестиции. Строительство. Недвижимость», Иркутск (2006 г.); на региональной научно-практической конференции «Строительство: материалы и конструкции», Иркутск (2006 г.); на международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России: Наука, образование, практика», Улан-Удэ (2006 г.); на всероссийской научной конференции с международным участием «1 Iерспективы развития промышленного производства кремния», Шелехов (2006 г.); на международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика», Пенза (2006 г.); на У межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии», Братск (2007 г.); на ежегодных научно-технических конференциях Ангарской государственной технической академии «Современные технологии и научно-технический прогресс», Ангарск (2004-2007 гг.).
Публикации             По результатам исследований диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе в рецензируемых журналах по списку ВАК МОиН РФ одна статья, получен приоритет на выдачу патента РФ. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, б глав, выводов и списка литературы, включающего 154 наименования. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 36 таблиц и приложение на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований.
Первая глава посвящена анализу современного состояния теоретических и экспериментальных исследований в области производства пенобетона приводятся общие сведения о производстве пенобетона, рассматриваются технология и материалы для его производства, а также физико-химические основы интенсификации процессов твердения.
Известны труды Ю.М. Баженова, Г.П. Сахарова (Москва), УМ. Махамбетовой (Казахстан), Л.Б. Сватовской (Санкт-Петербург), М.С. Гаркави (Магнитогорск), АС. Коломацкого (Белгород), Ан. Меркина, ИБ. Удачкина, А.Г. Комара в области комплексного исследования неавтоклавного пенобетона.
В работах Г.П. Сахарова, У.М. Махамбетовой, Л.Б. Сватовской отмечается, что использование пенобетона в строительстве позволяет помимо экономии энергоресурсов значительно ускорять темпы возведения зданий и сооружений.
А.П. Меркин, И.Б. Удачкин, А.Г. Комара выделяют три способа производства пенобетона: классический, методом сухой минерализации и при избыточном давлении (баротехнология). Отмечается, что технология производства изделий из пенобетона значительно влияет на свойства продукции и область ее применения.                     Свойства и себестоимость пенобетона в большой степени зависят от используемых материалов. Большое значение имеет природа используемых пен. Существует множество пенообразователей, используемых в различных отраслях промышленности, но до настоящего времени остается проблема создания дешевого синтетического пенообразователя для получения пенобетонов со стабильными свойствами. Также можно отметить отсутствие методов определения оптимальной концентрации поверхностно-активных веществ.
Ряд авторов (БМ. Бертов, СА. Холин и др.) указывают на возможность применения в производстве пенобетона побочных продуктов промышленности, в частности золы-уноса и микрокремнезема. Практическая реализация данных разработок позволит снизить себестоимость продукции и уменьшить экологическую напряженность в регионах.
Анализ отечественных и зарубежных работ, посвященных исследованиям в области получения пенобетона, показывает, что неавтоклавный пенобетон является эффективным востребованным строительным материалом, однако его производство связано с рядом проблем: отсутствием методики оптимизации состава, недостаточной конечной прочностью, повышенной усадкой.
На основании анализа литературных источников разработана научная гипотеза о необходимости создания способа определения оптимального количества пенообразователя и водотвердого отношения исходной пенобетонной смеси с целью повышения прочности пенобетона и снижения его себестоимости.
Во второй главе приведена характеристика применяемых материалов, описываются приборы и оборудование для производства пенобетона, изложена методика проведения экспериментов и испытаний.
Для получения неавтоклавного пенобетона были использованы следующие сырьевые материалы: портландцемент ОАО «Ангарскцемент» марки ПЦ 500-Д(0) по ГОСТ 10178-85 и ГОСТ 31108-2003; песок Ново-Еланского место- рождения с модулем крупности Мкр-1 .35, соответствующий ГОСТ 8736-93; зо- ла ТЭЦ-1 по ГОСТ 25818-91 микрокремнезем ЗАО «Кремний» (г. Шелехов) вода техническая по ГОСТ 23732-79; пенообразователи (ПБ-2000, Ареком, Биопор, Пента ПАВ 430А, Алкилбензолсульфокислота).
Химический состав золы ТЭЦ-1 сухого отбора и золошлаковых отходов приведен в таблице 1, химический состав микрокремнезема и цемента — в таблице 2, минералогический состав цемента — в таблице 3.
При получении пенобетона использовалась классическая технология: отдельно готовились цементное тесто и пена, которые впоследствии смешивались. Изготавливались образцы двух размеров: 100х100х100 мм и 40х40х60 мм.
Подвижность исходной смеси определялась с помощью вискозиметра Суттарда. Для определения прочности образцов пенобетона использовался гидравлический пресс марки ИП1000.

Таблица 1.

Химический состав золы ТЭЦ-1 сухого отбора и золошлаковых отходов

Наименование Содержание, %Масс
Золы-уноса Золошлаковые отходы
min max min max
SiO2 55,0 61,5 61,6 63,0
TiO2 0,3 0,5 0,5 0,7
A12О3 20,0 24,7 23,0 23,5
Fe2О3 5,0 7,2 5,8 7,0
CaO 2,3 3,2 2,7 3,8
MgO 1,8 2,0 1,8 2,0
K2О 0,9 1,4 U 1,4
Na2О 0,1 0,2 0,1 0,2
SO3 0,2 0,5 0,5 1,4

Таблица 2
Химический состав микрокремнезема и цемента

Наименование SiO2 A12О3 Fe2О3 CaO MgO SO4 CO2 F Собщ Ссвоб
Микрокремнезем, %масс 91,1 0,021 0,039 1,4 0,44 0,36 0,015 0,044 6,94 6,08
Цемент, %масс 20,47 5,81 4,44 63,75 4,23 0,74 0,004 0,14 98,7 0,00

Таблица 3
Минералогический состав цемента

Наименование C3S C2S С3A C3AF
Содержание, %масс 64 14 6 13

При определении оптимального количества пенообразователей измерялась их критическая концентрация мицеллообразования с помощью кондуктометрического метода на лабораторном кондуктометре ЭКА-2. Для определения рН использовался лабораторный потенциометр. Пористость пенобетона определялась оптическим методом, с помощью микроскопа — Сагl Zeiss 115. Определение теплопроводности производилось с помощью электронного измерителя теплопроводности ИТП-МГ4.
Физико-механические свойства образцов определялись согласно ГОСТ 10180, ГОСТ 12852.1, ГОСТ 22690, ГОСТ 12852.2.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с помощью методов математической статистики с применением ЭВМ.

            Третья глава посвящена разработке научнообоснованного подхода к выбору водотвердого отношения исходной смеси и получению уравнения для определения водотвердого отношения, необходимого для приготовления пенобетона заданной прочности на основе различных заполнителей.
Для пенобетонов, в состав которых наряду с вяжущим входят мелкодисперсные добавки, вместо водоцементного (В/Ц) отношения принято определять так называемое водотвердое (В/Т) отношение, то есть отношение массы воды затворения к массе твердых веществ — вяжущего и заполнителя. Известно, что В/Т влияет на прочность межпоровых перегородок пенобетона. Уменьшение В/Т приводит к увеличению прочности пенобетона, однако при этом ухудшаются технологические параметры смеси, в частности удобоукладываемость. С другой стороны, при повышении В/Т происходит расслаивание пенобетонной массы и большая усадка изделий.
На основании литературных данных и результатов предварительных экспериментов было установлено, что при значениях В/Т меньше 0,3 становится невозможным формование пенобетонной смеси. Если водотвердое отношение превышает 0,76, снижается однородность исходной смеси и значительно увеличивается расслоение пенобетона. Поэтому при проведении экспериментов В/Т изменялось в диапазоне от 0,3 до 0,76.
Водотвердое отношение определяется опытным путем для каждого состава, исходя из требований к текучести, указанных в СН 277-80. Подход к определению водотвердого отношения основывается на выявлении подвижности растворной смеси, определяемой с помощью вискозиметра Суттарда. По мнению автора, существующий подход к выбору В/Т, основанный на визуализации, нерационален.
Предлагаемый метод оптимизации водотвердого отношения заключается в следующем. Исходя из заданной марки бетона по плотности согласно СН 277- 80 выбираются диапазоны водотвердого отношения и массового отношения заполнителя к вяжущему (П/Ц).
Проводится серия из девяти замесов при наименьшем, наибольшем и среднем значениях В/Т. Для каждого состава измеряется диаметр расплыва исходной смеси. Полученные значения заносятся в разработанную автором программу для математической обработки. В результате обработки получают уравнение, позволяющее определять водотвердое отношение, необходимое для приготовления пенобетона заданной плотности и, соответственно, прочности.
В качестве целевой функции уравнения был выбран диаметр расплыва смеси, зависящий от водотвердого отношения и массового отношения заполнителя к вяжущему. Задавшись значением диаметра расплыва, соответствующим марке пенобетона по плотности и массовым отношением заполнителя к вяжущему согласно СН 277-80, получают значение водотвердого отношения, которое может быть использовано для расчета состава ячеистого бетона данной марки по плотности.
В результате для пенобетона на основе цемента и песка было получено уравнение:

где Дс — диаметр расплыва исходной смеси, выбираемый в соответствии с СН 277-80, см; Х1 — водотвердое отношение; Х2 — массовое отношение песка к цементу.
Уравнение (1) адекватно описывает эксперимент в диапазоне Х1 = 0,3 ÷ 0,76 при
Х2= 0 ÷ 1,2.
На рисунке 1 показана зависимость диаметра расплыва от водотвердого отношения при разных значениях массового соотношения песка к цементу. Видно, что при увеличении П/Ц подвижность смеси увеличивается.

 

В соответствии с целью работы задача состояла в получении пенобетона марки по плотности D800, прочностью не менее 3,5 МПа. Согласно СН 277-80 плотности D800 соответствуют диаметр расплыва 18 см и массовое отношение заполнителя к вяжущему 0,75. Из уравнения (1) было определено водотвердое отношение В/Т = 0,44. Прочность полученных образцов превысила требования ГОСТ 25485-89 и составила 3,82 МПа при плотности 800 кг/м3.
Аналогично были определены оптимальные водотвердые отношения для пенобетонов на основе цементного и магнезиального вяжущего с использованием различных заполнителей: золы-уноса, микрокремнезема, карбоксиметилцеллюлозы. Максимальная прочность полученных образцов составила 5 МПа при плотности 800 кг/м3.
В настоящее время разработанный подход к определению водотвердого отношения исходной смеси используется при промышленном производстве пеноблоков из пенобетона в ООО «Байкал-эко» (г. Ангарск) и ООО «Алеом» (г. Ангарск).
С целью определения влияния В/Т на микроструктуру и прочность пенобетона была проведена серия экспериментов. С использованием пенообразователя Пента ПАВ 430 А готовились образцы пенобетона с массовым отношением зола:цемент, равным 0,8. Водотвердое отношение изменялось в диапазоне от 0,45 до 0,65.
Результаты измерения среднего диаметра пор образцов пенобетона и определения их прочности приведены в таблице 4.

Таблица 4
Влияние В/Т на прочность и средний диаметр пор пенобетона

№ образца Средняя плотность пенобетона, кг/м3 В/Т Средняя длина пор, мм Средний диаметр пор, мм Прочность, МПа
1
2
3
4
5
808
803
807
797
795
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,543
0,654
0,706
0,720
0,768
0,62
0,75
0,806
0,82
0,88
4,8
4,2
3,8
3,2
2,8

Анализируя представленные данные, можно сделать вывод, что повышение водотвердого отношения приводит к увеличению диаметра пор, и, соответственно, к уменьшению толщины межпоровых перегородок и потере прочности пенобетона.
В четвертой главе приведены результаты исследования влияния выпускаемых промышленностью пенообразователей на прочность пенобетона и описан способ определения оптимальной концентрации пенообразователя.
Добавление пенообразователя оказывает двойственное влияние на качество пенобетона. Поверхностная активность пенообразователя способствует формированию пористой структуры ячеистого бетона и обеспечивает заданную плотность бетона. В то же время добавление пенообразователя приводит к замедлению процессов схватывания и твердения вяжущего, деструкции цементной системы, уменьшению прочности конечного продукта. Поэтому при производстве пенобетона возникает задача правильного выбора типа пенообразователя и определения его оптимальной концентрации. С целью выявления пенообразователя с наименьшим деструктивным воздействием на цементную систему были проведены экспериментальные исследования выпускаемых промышленностью пенообразователей и оценено их влияние на прочность пенобетона. На начальном этапе определялись водородный показатель растворов пенообразователей, устойчивость и кратность пен при различной температуре воды.
Водородный показатель (рН) растворов пенообразователей связан с величиной стерического эффекта, обусловленного формами цепей радикалов и характером зарядов на поверхности зерен цемента и гидратов. С увеличением разницы водородных показателей пенообразователя и цементной системы влияние стерического эффекта возрастает, что приводит к разрушению пены и ухудшению качества пенобетона. Поэтому водородный показатель раствора пенообразователя должен быть близок к фоновому рН цементного раствора, который в зависимости от используемого цемента составляет 11—13.
Устойчивость и кратность пены также оказывают значительное влияние на качество пенобетона.
В классической технологии производства пенобетона, как правило, используются пены средней кратности (от 4 до 9). При этом образуется полифракционная сферическая пористая структура (максимальная пористость пенобетона, по литературным данным, составляет около 83% при кратности пены 6- 9). За счет образования точечных отверстий в зоне соприкосновения сферических пузырьков пены после отверждения материал приобретает открытую пористость. Размер точечных отверстий очень мал (около 6*10-10м), поэтому их наличие не сказывается на прочности пенобетона. Результаты определения водородного показателя растворов пенообразователей, устойчивости и кратности пен при различных температурах воды приведены таблицах 5-7.

 

 

Анализируя полученные результаты, можно сделать ряд выводов:
— наиболее близкий к фоновому водородный показатель имеют синтетические  пенообразователи Ареком, ПБ 2000, IIента ПАВ 430 А;
— большей устойчивостью пены также обладают синтетические пенообразователи;
— увеличение температуры воды приводит к снижению устойчивости пенообразователей;
— пенообразователи Ареком, ПБ-2000, Пеностром, Пента ПАВ 430 А обладают средней кратностью пен, что позволяет рекомендовать их для производства пенобетона по классической технологии.
На следующем этапе было исследовано влияние пенообразователей на прочность пенобетона. Определялась прочность образцов размером 40х40х 160 мм в возрасте 28 суток. За единицу была принята прочность цементно-песчаной матрицы без добавления пенообразователя. Для остальных образцов концентрация пенообразователя составляла 5 % от массы цемента. Относительная прочность определялась отношением прочности образцов, содержащих пенообразователь, к прочности контрольного образца. Результаты приведены в таблице 8. Установлено, что пенообразователь оказывает существенное влияние на прочность пенобетона — относительная прочность образцов, полученных с использованием различных пенообразователей, может изменяться в 10 и более раз. Наибольшей прочностью обладает матрица, приготовленная с добавлением пенообразователя Лента ПАВ 430 А.

При достижении определенной концентрации поверхностно активным веществом (ПАВ), называемой критической концентрацией мицеллообразования, в водных растворах наряду с ионами и молекулами, образуются заряженные агрегаты молекул — мицеллы. В разбавленных растворах образуются сферические мицеллы небольшого размера; в более концентрированных растворах — пластинчатые мицеллы.
Увеличение концентрации ПАВ в растворе выше ККМ нецелесообразно, так как при этом снижаются прочность и плотность пенобетона, а себестоимость увеличивается.
Известно, что увеличение концентрации ПАВ приводит к увеличению электропроводности растворов. При достижении ККМ скорость роста электропроводности значительно снижается. Соответственно измерение электропроводности растворов при различной концентрации ПАВ позволяет косвенно определять ККМ.
Результаты измерений электропроводности водных растворов различных пенообразователей и величины поверхностного натяжения приведены в таблицах 9, 10.

Очевидно, что синтетические пенообразователи оказывают большее влияние на поверхностное натяжение растворов, чем белковые.
После математической обработки представленных результатов была определена ККМ для пяти выпускаемых промышленностью пенообразователей. Результаты приведены в таблице 11.

 

Можно сделать вывод, что каждому из исследованных пенообразователей соответствует своя критическая концентрация мицеллообразования. Учитывая, что наиболее активными являются ПАВ с наименьшим значением ККМ, можно отметить преимущество пенообразователей Ареком и Пента ПАВ 430 А.
Таким образом, предлагаемый автором способ определения оптимальной концентрации пенообразователя позволяет исключить возможность перерасхода ПАВ и, соответственно, ухудшения свойств пенобетона, а также способствует снижению себестоимости продукции.
В пятой главе рассматривается влияние золы-уноса, микрокремнезема и карбоксиметилцеллюлозы на свойства пенобетона.
Для выявления возможности использования в производстве пенобетона золы-уноса ТЭЦ-1 г. Ангарска и ее влияния на прочность материала была проведена серия экспериментов. Известно, что введение 20-30% золы в пенобетон повышает его прочность на 30-40%. Соответственно содержание золы в составе пенобетона варьировалось в диапазоне от О до 40% при массовом соотношении песок:зола от О до 1.
Установлено, что зола ТЭЦ- 1 может быть использована в качестве запол- нителя. Образцы пенобетона изготавливались на цементном вяжущем с использованием пенообразователя Пента ПАВ 430 А. Плотность всех образцов составляла 800 кг/м3. Влияние золы на прочность пенобетона иллюстрирует рисунок 2.

Результаты экспериментов позволяют сделать ряд выводов:
— использование золы-уноса ТЭЦ- 1 г. Ангарска в производстве пенобетона целесообразно;
— максимальная прочность пенобетона достигается при содержании золы
27-30%;
— добавление золы-уноса н количестве более 40% нецелесообразно, так как приводит к значительному снижению прочности пенобетона.
С целью определения влияния микрокремнезема ЗАО «Кремний» на прочность неавтоклавного ячеистого бетона изготавливались образцы пенобетона на цементном вяжущем с использованием пенообразователя Пента ПАВ 430 А. В качестве заполнителя использовалась смесь золы-уноса ТЭЦ-1 и микрокремнезема. Количество заполнителя н пенобетоне составляло 30%. Из литературных данных известно, что добавление микрокремнезема в количестве, превышающем 10% от массы заполнителя, приводит к уменьшению подвижности смеси и усложнению ее формования. Поэтому в ходе экспериментов содержание микрокремнезема в заполнителе составляло от О до 15%. Соответственно, массовое соотношение микрокремнезем: зола изменялось в диапазоне 0÷0,18. Результаты приведены в таблице 12.

Наибольшую прочность имеют образцы с массовым соотношением микрокремнезем:зола 0,18. Однако при таком и более высоком содержании микрокремнезема ухудшается удобоукладываемость и увеличивается водопотребность смеси.
Таким образом, экспериментально установлено, что оптимальное массовое соотношение микрокремнезем : зола, при котором прочность пенобетона увеличивается на 18-22% без повышения водопотребности смеси, составляет 0,11.
При изучении влияния водорастворимых полимеров на прочность пенобетона использовалась карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) производства ОАО «Усольехимпром».
На предварительном этапе было установлено, что количество карбоксиметилцеллюлозы не должно превышать 10% от массы вяжущего, так как дальнейшее увеличение концентрации КМЦ приводит к значительному увеличению вязкости пенобетонной смеси и усложнению технологии производства пенобетона.
Изготавливались матрицы размером 40х40х 160 мм с массовым отношением зола:цемент от 0,8 до 1,2. В качестве затворителя в изучаемых матрицах использовался водный раствор КМЦ, а в контрольных образцах — вода. Содержание КМЦ составляло 10% (по сухому веществу) от массы цемента. Результаты определения прочности приведены на рисунке 3.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что добавление КМЦ в количестве 10% от массы цемента приводит к увеличению прочности матрицы на 16-22% по сравнению с контрольным образцом.
В частности, прочность образца пенобетона, приготовленного с использованием пенообразователя IIента ПАВ 430 А на основе матрицы с массовым соотношением цемент :зола: КМЦ= 1:1, 2:0,1, составила 4,5 МПа, что на 11% выше прочности контрольного образца (4,05МПа).
Влияние добавления КМЦ на теплопроводность образцов пенобетона с различной плотностью иллюстрирует рисунок 4.
Таким образом, применение предлагаемых автором подходов к выбору водотвердого отношения и определению оптимальной концентрации пенообразователя позволяет снизить теплопроводность пенобетона по сравнению с требованиями ГОСТа и улучшить теплоизоляционные свойства материала. Добавление КМЦ в количестве 10% от массы вяжущего приводит к увеличению теплопроводности пенобетона по сравнению с контрольным образцом в среднем на 5%. Это можно объяснить влиянием добавления КМЦ на микроструктуру пенобетона, что подтверждается данными электронной микроскопии.

При проведении микроскопического анализа образцов пенобетона было выявлено, что структура пенобетона, содержащего КМЦ, более плотная по сравнению с контрольным образцом (рис. 5).

Проведенные испытания образцов пенобетона на морозостойкость показали (рис. 6), что после 25 циклов замораживания-опаивания прочность образцов, содержащих КМЦ в количестве 10% от массы вяжущего, снижается не более чем на 5 % относительно первоначальной, что соответствует требованиям ГОСТ 25485-89. При аналогичных испытаниях контрольного образца прочность снизилась на 6%. Соответственно, добавление КМЦ приводит к повышению морозостойкости пенобетона.                    На следующем этапе проводились эксперименты по определению усадки на образцах-призмах из пенобетона

 

Результаты экспериментальных данных (рис.7) свидетельствуют о равномерности нарастания усадочных деформаций в течение всего периода испытаний. Первоначально наблюдается интенсивный рост усадочных деформаций, свидетельствующий о резком высыхании материала с последующим затуханием примерно через 40-50 суток.
Очевидно, причиной большей усадки контрольного образца является менее совершенная структура пор. Структура пенобетона с КМЦ более плотная и мелкопористая, имеет больше замкнутых пор.
По результатам исследований разработаны составы пенобетонов с использованием золы-уноса ТЭЦ-1 г. Ангарска и микрокремнезема ЗЛО «Кремний» (г. Шелехов), которые применяются при получении изделий из ячеистого бетона на ООО «Алеом» (г. Ангарск) и ООО «Байкал-эко» (г. Ангарск). Основные свойства пенобетона, получаемого в промышленных условиях, в зависимости от плотности, представлены в таблице 13.

 

На основе полученных данных можно сделать ряд выводов:
— добавление карбоксиметилцеллюлозы в количестве 10% от массы вяжущего приводит к улучшению структуры пенобетона, структура становится более плотной и мелкопористой, имеет больше замкнутых пор, вследствие этого прочность пенобетона увеличивается на 11%, и снижаются усадочные деформации;
— дальнейшее увеличение содержания КМЦ нецелесообразно, так как приводит к значительному росту вязкости пенобетонной смеси.
В шестой главе приводится описание конструкции и принципа действия нового прибора для оперативного определения прочности пенобетона.
Существующие приборы для определения прочности бетона неразрушающим методом (молоток Кашкарова, прибор НИКЖБ и  ЭКБ ЦНИИСК, пружинные приборы ударного действия различных модификаций) непригодны для измерения прочности пенобетона в связи с особенностью его структуры.
Прочность пенобетона, как правило, определяется в лабораторных условиях по стандартной методике путем разрушения образцов, что не всегда возможно.
Поэтому возникает необходимость разработки прибора для определения прочности пенобетона неразрушающим методом.
Нами предложена конструкция прибора для оперативного определения прочности пенобетонных изделий неразрушающим методом. Прибор (рис. 8)

 

состоит из корпуса (1), стержня (2), конического наконечника (3), грузов (4), рукоятки (5), упоров (6). Для определения прочности бетона в заданной точке прибор устанавливают перпендикулярно на поверхность испытываемого изделия.
Затем ударный элемент с помощью рукоятки (5) поднимают вверх до упора. После этого рукоятку отпускают. Ударный элемент под действием собственного веса падает и коническим наконечником (З) наносит удар по поверхности испытываемого изделия. Конический наконечник при этом заглубляется в бетон.
Затем отделяют прибор от испытываемой поверхности.  Прочность исследуемого бетона определяют по средней величине диаметров отпечатков на поверхности бетона и тарировочному графику. Основными особенностями нового прибора являются:

— постоянная в процессе испытания сила удара за счет постоянства массы и высоты падения ударного элемента;
— возможность изменения силы удара путем изменения количества грузов, закрепленных на ударном элементе;
— отсутствие вспомогательных операций при работе и, как следствие, оперативное получение результатов.
При использовании данного изобретения были получены следующие технические результаты:
— уменьшение времени проведения испытания;
— упрощение обработки результатов испытаний
— упрощение определения прочности бетона в заданной точке;
— возможность определения прочности как тяжелых, так и легких бетонов согласно ГОСТ 22690-88.

            В приложении приведено экономическое обоснование производства пенобетонных изделий: выбор технологии производства, сырьевых материалов, организация цеха. Произведен расчет необходимого количества сырьевых компонентов и вспомогательных материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

  1. Разработан новый подход к определению состава пенобетона, заключающийся в научно-обоснованном выборе водотвердого отношения исходной смеси и концентрации пенообразователя в составе пенобетона.
    2. Получены уравнения для определения водотвердого отношения, необходимого для производства пенобетона заданной прочности в диапазоне от 3,5 до 5 МПа.
    3. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность определения оптимальной концентрации пенообразователя н составе пенобетона посредством измерения критической концентрации мицеллообразования и последующей математической обработки.
    4.Определена критическая концентрация мицеллообразования наиболее распространенных пенообразователей, что позволяет исключить возможность перерасхода ПАВ и, соответственно, ухудшения свойств пенобетона, а также способствует снижению себестоимости продукции.
    5. Установлено, что синтетические пенообразователи имеют водородный показатель близкий к фоновому показателю цементного раствора, обладают большей устойчивостью и кратностью пены по сравнению с белковыми пенообразователями.
    6. Разработаны составы неавтоклавного пенобетона на основе цементного и магнезиального вяжущего с использованием различных заполнителей: золы-уноса, микрокремнезема, карбоксиметилцеллюлозы. Максимальная прочность пенобетона составила 5 МПа при плотности 800 кг/м3.
    7. Выявлено, что оптимальное массовое соотношение микрокремнезем:зола, при котором прочность пенобетона увеличивается на 18-22% без повышения водопотребности смеси, составляет 0,11.
    8. Для улучшения структуры и свойств неавтоклавного пенобетона предложено введение в его состав водорастворимых полимеров, в частности карбоксиметилцеллюлозы. Прочность пенобетона, полученного с добавлением карбоксиметилцеллюлозы в количестве 10% от массы цемента, увеличивается на 11%. Дальнейшее увеличение содержания карбоксиметилцеллюлозы нецелесообразно, так как приводит к значительному росту вязкости пенобетонной смеси.
    9. Разработана конструкция прибора для оперативного определения прочности пенобетонных изделий неразрушающим методом. Использование нового прибора позволяет упростить определение прочности бетона в заданной точке и уменьшить время проведения испытания и обработки результатов.