Использование особо легких минерализованных пен при изготовлении термоблоков

Анализ сложившегося положения в области стеновых материалов для жилищного строительства показывает, что существующие материалы и оборудование для их производства не полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям.

Применение плитного пенополистирола, практически безальтернативного материала для стен, удовлетворяющих требованиям по теплозащите, встречает все больше возражений ученых и практиков [см. Лотов В.А. Перспективные теплоизоляционные материалы жесткой структуры // Строительные материалы. 2004. № 11]. Это относится как к трехслойным панелям, системе “Изодом”, так и мелкоштучным изделиям, где даже лучшие технические решения “многодельны”, трудоемки, дороги и, в лучшем случае, пригодны для строительства малоэтажных зданий...

Предлагаемое изделие “Термоблок” [см. Львович К.И. Термоблок – стеновой материал XXI века // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2003. № 6] (Пат. 2030527 РФ RU) размером 390х190х188 мм включает оболочку из песчаного бетона и заполнение из минерализованной цементом технической пены (МП).

Прочностные характеристики термоблоков позволяют строить из них многоэтажные здания с несущими стенами.

Характеристики материалов, используемых для изготовления термоблоков, представлены в таблице 1, изделие и схема укладки – на рисунке 1.

Таблица 1.

Оболочки изготавливаются на вибропрессах с подъемной матрицей, где одновременно из песчаного бетона формуются от 5 до 12 оболочек, которые на следующем технологическом посту “по сырому” заполняются МП. Термоблоки пакетируются, и стопа из поддонов с изделиями направляется в камеру ТВО.

Несущие функции в термоблоке выполняет оболочка, теплозащитные – заполнение из МП, что исключает использование в технологическом процессе иных базовых материалов кроме цемента и песка.

Изготовление оболочки термоблоков вибропрессованием позволяет калибровать их размеры с миллиметровой точностью и производить укладку в стену на слой цементного клея толщиной до 3 мм, что не только снижает расход кладочного материала, но и значительно (до 95%) повышает теплотехническую однородность стены [см. Семенченков А.С. и др. Прогрессивные несущие стеновые ограждения из строительных материалов на основе легких бетонов // Технологии строительства. 2003. № 4]. Конструкция стен из термоблоков содержит только ложковые ряды, их перевязка обеспечивается наличием пазов на нелицевой грани блоков. Пазы при сборке в кладку с перевязкой блоков в соседних рядах оказываются напротив друг друга. Это позволяет для соединения соседних рядов кладки использовать П-образные элементы из арматурной проволоки, легко погружаемые в МП (рис.1).

Предлагаемая технология предоставляет уникальные возможности отделки блоков:

• • за счет изменения формы матрицы можно изготавливать блоки с рельефным, криволинейным и ломаным очертанием передней грани;
  • введение пигментов в цементно-песчаную смесь позволяет получать цветные блоки. Возможно включенное в технологический процесс окрашивание наружной грани блоков;
  • “колотая” и “каннелюрная” фактура лицевой грани блока, практически неотличимая от фактуры натурального камня, достигается при изготовлении спаренных блоков с общей лицевой гранью и последующим их раскалыванием.

Оборудование для раскалывания также может быть включено в технологический цикл.

Наименее исследованным этапом технологии производства термоблоков является изготовление и разливка в оболочки особо легких минерализованных пен.

В условиях, когда несущие и теплозащитные функции в изделиях разделены, прочностные и деформативные характеристики МП не являются определяющими для качества термоблока.

Более того, даже величина предельной относительной деформации усадки – одна из наиболее значимых характеристик для пенобетона – не является существенной в связи с малым объемом МП в отдельном изделии.

Наличие цемента в составе МП обеспечивает надежное ее сцепление с бетоном оболочки и исключает выпадение при пакетировании и транспортировке.

Основным критерием качества пенобетонов является их объемная масса (плотность). Это наиболее просто устанавливаемая характеристика, оценивающая объем воздушной фазы в материале и по принятой в нормах классификации определяющая его теплозащитные свойства.

Следует отметить, что объемная масса, и, в первую очередь, при низких ее значениях (менее 200 кг/м³), не полностью определяет теплозащитные свойства пенобетонов из-за различной структуры материала.

Различают два вида структуры пенобетонов. Первый – с открытой пористостью, возникающей при образовании отверстий в месте соприкосновения сферических пузырьков пены [см. Величко Е.Г. и др. Технологические аспекты синтеза структуры и свойств пенобетона // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2005. № 3]. Точечные пленки в месте соприкосновения не минерализуются из-за их несоизмеримости с частицами вяжущего. В результате получается материал с требуемыми характеристиками по объемной массе, но с неоднородной ячеистой структурой, что приводит к снижению теплозащитных свойств из-за конвекционного движения воздуха по каналам, соединяющим пузырьки.

Второй вид структуры – мелкие (0,2–0,5 мм) однородные воздушные пузырьки, обрамленные цементным тестом, – особо легкие пенобетоны, изготовленные по специальной технологии [см. Кобидзе Т.Е. и др. Взаимосвязь структуры пены, технологии и свойств полученного пенобетона // Строительные материалы. 2005. № 1].

При такой структуре пенобетон не только обладает лучшими свойствами по теплозащите, но и, несмотря на значительный объем воздушной фазы, практически не поглощает воду. Таким образом, его теплозащитные свойства мало понижаются при попадании воды, как у большинства пористых материалов. Принципиальная возможность получения такой структуры неоднократно подтверждалась исследовательскими работами по особо легким пенобетонам. Однако, поскольку разработчики материала связаны задачей получения пенобетона, прочностные характеристики которого позволили бы, как минимум, распалубку изделий (массива) из форм, резку, транспортировку, пакетирование, не удавалось получить стабильные результаты при массовом производстве. Если таких требований не предъявляется, то величина водоцементного отношения, “отвечающая” за прочность материала, не является определяющим фактором получения особо легкого пенобетона. Тогда задача его получения существенно упрощается, так как минерализация технической пены (ТП) может производиться не цементом, а цементным тестом (ЦТ).

Генератор минерализованной пены (ГМП) может быть выполнен по классической схеме установки для получения конструктивно-теплоизоляционного пенобетона: изготавливаются техническая пена и цементное тесто, которые затем помещаются в смеситель. Для особо легких пенобетонов, не содержащих песка, разработан высокоскоростной смеситель, обеспечивающий качественное перемешивание ЦТ и ТП за короткое время.

Высокая скорость перемешивания существенна не только как фактор, обеспечивающий гомогенность смеси, но и потому, что режим формования оболочек термоблока очень короток (на вибропрессах разной конструкции – от 10 до 40 сек.), а их заполнение предусматривается в режиме формования.

В результате исследований был получен высокопоризованный тонкодисперсный пенобетон плотностью 100–150 кг/м³ (в промышленных объемах – “150”) с замкнутой однородной ячеистой структурой.

Испытаниями установлены коэффициенты теплопроводности пенобетона “150” в сухом состоянии и при равновесной влажности материала равной 4,7 %, = 0,028 и = 0,036 Вт/м ^оС, превышающие аналогичные характеристики пенополистирола.

По результатам исследований были ранжированы факторы, оценивающие влияние свойств используемых материалов и технологических приемов получения особо легких пенобетонов. Как наиболее значимые выделены: применение эффективных пенообразователей и технологических приемов, обеспечивающих устойчивость МП.

Для особо легких пенобетонов следует применять пенообразователи (преимущественно протеиновые) с максимальной кратностью получаемых пен, что обеспечивает их минимальное содержание в составе смеси. В этом случае при двухстадийной технологии приготовления МП возможно снижение расхода воды и пенообразователя. Снижение расхода воды в технических пенах повышает их устойчивость; снижение расхода пенообразователя, наряду с уменьшением стоимости пенобетона, также является важным фактором устойчивости МП, поскольку пенообразователь замедляет схватывание цемента.

Повышение устойчивости к оседанию МП достигается применением пластифицирующих добавок, которые снижают водосодержание ЦТ, что особенно важно при использовании метода раздельного получения ТП и ЦТ.

Используемые пластифицирующие добавки не должны увеличивать период структурообразования ЦТ. Это требует использования пластификаторов, механизм действия которых отличается от механизма разжижения лигносульфанатами.

Следующими по значимости факторами в производстве особо легких пенобетонов являются вид цемента, толщина помола и однородный дисперсный состав. Для производства особо легких пенобетонов следует применять низкоалюминатные тонкодисперсные цементы (4500–5000 см²/г, по Товарову), которые адсорбируются на поверхности ячеек пены и способствуют увеличению скорости схватывания ЦТ. Это также стабилизирует процесс формирования структуры, препятствуя осаждению МП.

Следует отметить, что в отечественном бетоноведении вопросы ускорения сроков схватывания и сроков твердения бетонной смеси плохо разделены, в том числе и по рекомендуемым химдобавкам.

Для получения устойчивых к оседанию МП надлежит использовать химдобавки, ускоряющие схватывание. Ускоренное формирование структуры МП позволяет также сократить время тепловлажностной обработки.

Использование химдобавок – ускорителей схватывания в особо легких пенобетонах имеет гораздо больший эффект, чем в тяжелых бетонах, керамзитобетонах и др., в первую очередь потому, что ускоренное формирование структуры препятствует разрушению пузырьков пены, переводя ее в псевдотвердое состояние.

Активация цементного теста – редко применяемый прием в технологии бетона, в первую очередь из-за отсутствия промышленного оборудования для перемешивания активированного цементного теста с песком и щебнем. Однако при приготовлении цементного теста для пенобетона, не содержащего песка, активация весьма эффективна, как из-за несложного оборудования, так и:

• высокой степени коллоидации ЦТ;
• ускорения процесса гидратации, в том числе и в первые часы после затворения;
• увеличения подвижности ЦТ;
• сокращения времени перемешивания.

При турбулентной активации под действием интенсивных срезающих усилий и ускоренной гидратации цемента тесто обогащается большим количеством коллоидных частиц. Тиксотропный коллоид, равномерно распределенный между более крупными частицами цемента, препятствует их сближению. В результате процесс флокуляции протекает значительно медленнее.

Высокие градиенты скорости, которые возникают в цементном тесте при турбулентной обработке, приводят к разрушению отдельных слипшихся агрегатов из цементных зерен. В активированном цементном тесте отсутствуют структуры, содержащие в своих ячейках скопления воды.

Отсутствие свободной воды в МП (получить техническую пену без водоотделения – гораздо более простая задача) – существенный фактор в технологии производства термоблоков из-за возможности некачественного уплотнения оболочки. Свободная вода впитывается в недоуплотненный бетон, что приводит к оседанию МП. Вероятность оседания резко снижается, если в МП не будет свободной воды, либо ее миграция будет затруднена мелкими капиллярными протоками между частицами.

Доставка МП в бункер дозаторно-разливочного устройства производится таким образом, чтобы ее транспортировка происходила на минимальное расстояние, т.е. посты приготовления и разливки находились рядом. Это означает, что избыточное давление, при котором изготавливается МП, может быть минимальным и пузырьки воздуха, как основной компонент МП, при попадании в бункер разливочного устройства остаются мелкими и однородными, а МП в дозаторе-распределителе практически не утяжеляется.

Отсутствие вибрационных воздействий при заливке МП в оболочки термоблоков также способствует ее сохранности.

Анализ и ранжирование факторов, влияющих на качество МП, позволили разработать технологию и оборудование для получения особо легких пенобетонов, организовать промышленное получение минерализованных пен с  = 150 кг/м³, наметить пути дальнейшего совершенствования технологии и оборудования для изготовления термоблоков.

К.И. Львович, д. т. н., профессор,
НПЦ “Стройтех”