Активация — улучшение свойств пенобетона

Посмотреть все статьи

 

АКТИВАЦИЯ – ПУТЬ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ НЕАВТОКЛАВНОГО ПЕНОБЕТОНА

Прочностные характеристики неавтоклавных пенобетонов существенно уступают автоклавным газосиликатам, что несколько сдерживает их распространение. Это связано в первую очередь с тем, что процессы гидратации автоклавных пенобетонов в условиях автоклавной обработки протекают полностью и продукты гидратации (в основном это тоберморитоподобные гидросиликаты кальция) термодинамически устойчивы при нормальной температуре и практически не растворимы в воде.

Процессы гидратации неавтоклавных пенобетонов не завершаются даже к 28 суткам, а продукты гидратации не все устойчивы при нормальной температуре и не растворимы в воде. В частности, в результате гидратации клинкеробразующих минералов в течение года выделяется до 24,4% [см. Тейлор Х. Химия цемента / Пер. с англ. – М.: Мир, 1996. – 560 с.] гидрооксида кальция, который растворим в воде и неустойчив при нормальной температуре. Вследствие указанных причин неавтоклавные пенобетоны подвержены всем видам цементной коррозии и имеют более низкую прочность, чем автоклавные газосиликаты. В работе [см. Михеенков М.А., Плотников Н.В., Лысаченко Н.С. Кинетика твердения цементных безавтоклавных пенобетонов в присутствии силиката натрия // Строительные материалы. – 2004. № 3. С. 35 – 42] нами указывалось, что для повышения прочностных свойств неавтоклавных пенобетонов целесообразно связывать выделяющийся гидрооксид кальция в другие, более прочные и водостойкие соединения, например кальцийнатриевые гидросиликаты. В этой же работе обращалось внимание на то, что связывание гидрооксида кальция целесообразно проводить на начальной стадии гидратации портландцемента. Но связать его весь невозможно, поскольку указанное выше количество гидрооксида кальция выделяется за год. Следовательно, в технологии следует предусмотреть воздействие на процессы гидратации портландцемента, обеспечивающие их ускоренную гидратацию.

В соответствии с классическими представлениями о гидратации портландцемента

[см. Бутт Ю.М. Технология цемента и других вяжущих веществ. – М.: Стройиздат, 1964. – 352 с.: ил.] образование кристаллогидратов носит смешанный характер, то есть одновременно протекают топохимические и гетерогенные реакции. Поскольку при гидратации портландцемента гетерогенные реакции протекают одновременно с топохимическими, суммарная скорость протекания реакции гидратации зависит от двух факторов – от растворимости клинкеробразующих минералов (топохимический фактор), концентрации компонентов реакции и наличия центров кристаллизации (гетерогенные факторы). Конечная скорость протекания реакции гидратации зависит от того, какой фактор является лимитирующим. Если клинкеробразующие минералы плохо растворяются, то скорость реакции контролируют топохимические факторы, а если концентрация продуктов гидратации не достигает пресыщения и недостаточно центров кристаллизации, то скорость реакции контролируется гетерогенными факторами.

Ускорить протекание реакции гидратации портландцемента можно за счет механической активации клинкеробразующих минералов в водной среде. При этом существенно ускоряется растворимость зерен клинкера, быстрее наступает пресыщение раствора, больше выделяется гидрооксида кальция и образуется много центров кристаллизации. Однако собственно ускорение реакции протекания гидратации клинкеробразующих минералов не является необходимым и достаточным условием для формирования прочных структур при твердении портландцемента. Необходимо, чтобы ускоренная гидратация протекала одновременно с процессами формирования высокопрочной структуры.

Это достигнуто нами за счет механохимической активации, которая осуществляется путем механической активации цементной суспензии в присутствии неорганической добавки, а одновременно с механической активацией в цементную суспензию вводится полимерный модификатор. При подобной обработке, за счет взаимного трения зерна клинкера ускоренно растворяются, а выделяющийся при этом гидрооксид кальция взаимодействует с неорганической добавкой, образуя большое количество центров кристаллизации, срастанию которых, формируя мелкокристаллическую структуру, препятствует полимерный модификатор.

В процессе механической активации цементной суспензии происходит соударение частиц цемента и сдирание их поверхностных слоев за счет взаимного трения. Поскольку поверхностные слои цемента уже начали гидратироваться, сдирание поверхностных слоев происходит легче, чем у сухого материала. Данные процессы подчиняются законам диффузии и описываются известным уравнением [см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. – Киев: Вища школа, 1975. С. 95]:

 (1)

где  – количество вещества, растворяющегося в единицу времени в единице объема;

D – коэффициент диффузии; S – величина поверхности растворяющегося вещества;

С1– концентрация насыщенного раствора; С – фактическая концентрация в данный момент; δ – толщина диффузионного слоя.

В данной формуле все параметры, влияющие на интенсивность растворения цементного клинкера, определены либо свойствами цемента (удельная поверхность S), либо температурой среды (коэффициент диффузии D). Единственным параметром, при помощи которого можно управлять процессом, является толщина диффузионного слоя, зависящая от интенсивности перемешивания среды (или, иными словами, от скорости относительного перемещения частиц среды). При увеличении скорости относительного перемещения частиц толщина диффузионного слоя уменьшается, а интенсивность растворения увеличивается. Следовательно, должна наблюдаться прямая зависимость интенсивности растворения от скорости перемещения. На это же указывают теоретические изыскания автора, приведенные в [см. Михеенков М.А. Особенности механической активации гипса в условиях динамического прессования // Электронный журнал “Исследовано в России”. 2004http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/127.pdf].

Для определения влияния скорости относительного перемещения частиц среды на свойства материала на основе активированной суспензии осуществляли варьирование скорости вращения лабораторного смесителя и продолжительности перемешивания. Испытания проводили при помощи методов планирования экспериментов. Для проведения эксперимента применялся ортогональный план варьирования двух факторов на трех уровнях. В качестве первого фактора рассматривалась линейная скорость рабочего органа, а в качестве второго – продолжительность перемешивания. Скорость вращения рабочего органа варьировалась от 5 до 15 м/с, продолжительность перемешивания – от 0 до 10 минут. В качестве функции отклика рассматривалась прочность цементной суспензии через 28 дней.

В условиях проведения эксперимента с увеличением частоты вращения рабочего органа прочность увеличивается линейно, что согласуется с теоретическими выводами. При увеличении продолжительности перемешивания прочность суспензии сначала увеличивается до максимального значения, а затем снижается. Оптимальным режимом обработки следует считать продолжительность активации 5 минут, а линейную скорость – максимально возможную в данном типе перемешивающего устройства.

После испытаний, описанных выше, проводились эксперименты по получению пенобетона путем введения пены после активации суспензии. Результаты испытаний показали, что при оптимальных режимах активации суспензия сильно разогревается и густеет. Для достижения нормальной консистенции приходится ее разбавлять, что сводит на нет результаты механической активации. Очевидно, это связано с тем, что при интенсивной механической активации очень быстро достигается пресыщение раствора и начинается кристаллизация новообразований цемента, которая приводит к загустеванию смеси. Выделяющееся при ускоренной гидратации тепло разогревает смесь, при этом коэффициент диффузии увеличивается, что также приводит к ускоренному растворению и кристаллизации новообразований.

Для ликвидации данного недостатка был подобран комплексный полимерный модификатор. Результаты испытаний при оптимальных режимах обработки показали, что в процессе активации смесь не только не густеет, а, наоборот, разжижается, что позволило снизить В/Ц соотношение у суспензии до 0,32. Активированная суспензия с полимерным модификатором хорошо смешивается с пеной и разливается по формам. Температура смеси в момент разлива за счет механической активации достигает 70оС. Петрографический анализ образцов показал, что полимерный модификатор блокирует большое количество центров кристаллизации, образовавшихся при активации, не позволяет им разрастаться и формирует мелкокристаллическую структуру, что существенно повышает прочностные свойства суспензии. Приготовленный подобным образом пенобетон при плотности 600 кг/м3 достигал прочностных показателей 3,5 – 4,0 МПа.

Разработанный способ и устройство для его реализации защищены заявкой, на которую получено положительное решение о выдаче патента Российской Федерации. На рисунке 1 приведен общий вид устройства для реализации способа, а в таблице – его технические характеристики.

Таблица. Технические характеристики установки БС-0.25

Показатель

БС-0.25

Емкость бака-смесителя, л

250

Производительность, м3 пенобетона в час

2,0

Выход пенобетона с одного замеса, м3

0,25

Давление воздуха, необходимое для работы установки, МПа

До 0,25

Расход воздуха от компрессора, не менее, л/мин

200

Электропитание

трёхфазная сеть 380В, 50 Гц

Установленная мощность (без учёта компрессора), кВт

5,5

Общая масса, кг

350

Габаритные размеры, мм

1200*1200*1800

Разработанное устройство позволяет реализовать данный способ как по баросмесительной технологии, так и с раздельным введением пены.

 

Установка Фомм-Проф для производства пенобетона.

Завод Строй-Бетон предлагает сертифицированные установки для производства пенобетона, линейки Фомм-Проф.

Данные установки известны своей надежностью и качеством. При покупке установке предоставляется бесплатное обучение на собственном производстве в Санкт-Петербурге.

На базе данных установок возможно открытие производства от 20 до 120куб.м. блоков в сутки. Также возможна поставка всех необходимых комплектующих для производства, начиная от пенообразователя и смазки и заканчивая силосами цемента.

Инженеры и технологи завода Строй-Бетон помогут составить грамотную схему размещения оборудования и быстро запустить производственный процесс.

Завод Строй-Бетон — уверенность в поддержке!

 

Осуществляемая подобным образом механохимическая активация позволяет ускорить набор прочности пенобетона и повысить его физико-механические свойства.

Михаил Аркадьевич Михеенков,
канд. техн. наук, доцент
ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет УГТУ – УПИ”