Статья: Пенобетон с компенсированной усадкой

2

ПЕНОБЕТОН С КОМПЕНСИРОВАННОЙ УСАДКОЙ

Иващенко Юрий Григорьевич¹, Страхов Александр Владимирович², Багапова Диана Юрьевна³

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов, профессор кафедры «Строительные материалы и технологии», e-mail:strachov83@mail.ru¹

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии», e-mail:strachov83@mail.ru²

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов, ассистент кафедры «Строительные материалы и технологии», e-mail:ldiana87@mail.ru³

УДК 691.327.333

Аннотация. Основными проблемами изделий на основе пенобетона является низкая прочность и появление усадочных деформаций как в первые дни созревания цементного камня, так и на протяжении всего срока службы. В статье рассмотрены вопросы применения волокнистого целлюлозного наполнителя на основе макулатуры с целью снижения усадочных деформаций и повышения прочностных характеристик цементного пенобетона. Установлена зависимость физико-механических характеристик пенобетона от способа введения армирующего наполнителя.

Ключевые слова: пенобетон, контракционная усадка, фиброволокно, армирующий наполнитель, волокнистый целлюлозный наполнитель.

деформация пенобетон армирующий наполнитель

Разработка, производство и применение эффективных конструкционно-теплоизоляционных материалов, отвечающих современным требованиям актуальная проблема на сегодняшний день. Одним из таких эффективных материалов является цементный неавтоклавный пенобетон.

Основными проблемами изделий на основе пенобетона является низкая прочность и появление усадочных деформаций, как в первые дни созревания цементного камня, так и на протяжении всего срока службы.

Усадка бетона вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Суммарная величина деформаций усадки складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существенное значение имеют влажностная, контракционная и карбонизационная деформации, названные так по виду определяющего фактора. [1]

Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и не столько изменяет внешние размеры образца, сколько способствует изменениям в поровой структуре материала: уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры Обычно эта усадка развивается в период затвердения бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается заметным растрескиванием материала Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидроксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.[1]

Снижения контракционной усадки и повышения физико-механических характеристик пенобетона можно добиться с помощью введения в состав пенобетонной смеси армирующих наполнителей. В качестве таких наполнителей может выступать фиброволокно природного и техногенного происхождения. Введение фиброволокна является недорогим способом альтернативного армирования. [2-4]

Фиброволокно для пенобетона представляет собой совокупность волокон разной длины, которые равномерно распределяясь в пенобетонной смеси во время ее приготовления, создают пространственный армирующий каркас, в результате чего предотвращается возможность появления усадочных трещин затвердевшего пенобетона при возникновении внутренних напряжений.

Характеристики и природа происхождения армирующего наполнителя напрямую влияет на изменение прочностных характеристик пенобетона. На сегодняшний день на рынке представлен ряд видов волокнистого наполнителя. В таблице 1 приведены физико-механические характеристики различных видов фиброволокна.

Существуют разработки по применению волокнистого наполнителя растительного происхождения в виде древесного опила или древесного волокна. [5-7], однако древесный наполнитель содержит большое количество гидроксильных групп (полисахариды), что приводит к замедлению процесса твердения и роста кристаллов цементного камня. Поэтому требуется принятие мер по нейтрализации полисахаридов, что значительно затрудняет технологический процесс применения наполнителя в чистом виде.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики различных видов фиброволокна

На сегодняшний день наибольшее распространение для упрочнения пенобетонных изделий, а также снижения контракционнойуадки получили синтетические (полимерные) волокна, которые обладают длиной от 5 мм до 20 мм. Недостатком введения указанных волокон в пенобетонную смесь является возможность нарушения структуры межпоровых перегородок, тем самым оказывая отрицательный эффект на физико-механические характеристики пенобетона [8].

Учитывая толщину межпоровых перегородок в пределах 0,5-0,1 мм, эффективное повышение прочности и снижения усадочных деформаций может быть достигнуто путем применения волокнистого наполнителя с размерами частиц меньшими относительно межпоровых перегородок. К таким наполнителям можно отнести волокнистый целлюлозный наполнитель, изготовленный на основе макулатуры. За счет волокнистой структуры целлюлозный наполнитель позволяет повысить прочностные характеристики и снизить усадку готовых изделий на основе пенобетона. Повышение прочности готовых изделий производится за счет равномерного распределения волокон целлюлозного наполнителя с размером волокон в пределах 10-40 мкм в межпоровых перегородках пенобетона.

За счет очень малой средней плотности целлюлозного наполнителя в пределах 50-70 кг/м³ осуществляется снижение средней плотности и соответственно теплопроводности конструкционно-теплоизоляционного пенобетона.

Для достижения максимально положительного эффекта от применения волокнистого наполнителя на основе макулатуры проведены исследования по способу его изготовления. В качестве сырьевого материала для получения волокнистого наполнителя использовалась макулатура марок МС 8-11В отвечающая требованиям ГОСТ 10700-97 [9].

Измельчение макулатуры производилось несколькими способами: сухой помол в ножевой мельнице «РМ-120», сухой и мокрый помол в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4». Измельчение производилось по одинаковым режимам в течение 15 минут, размеры частиц загружаемого сырья составляли 5-15Ч10-70 мм и толщиной 0,3-2,5 мм. Результаты исследований дисперсности полученного волокнистого наполнителя на основе макулатуры представлены на рисунках 1-3.

Рисунок 1 - Гранулометрический состав, целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного по сухому способу в ножевой мельнице «РМ-120»

Рисунок 2 - Гранулометрический состав, целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного по сухому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4»

Рисунок 3 - Гранулометрический состав, целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного по мокрому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4»

Из анализа, представленных данных видно, что средний размер частиц целлюлозного наполнителя на основе макулатуры, полученного 1) по сухому способу в ножевой мельнице «РМ-120» составляет 44 мкм (диапазон размера частиц от 0,8 до 120 мкм); 2) по сухому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4» составляет 48 мкм (диапазон размера частиц от 7 до 265 мкм); 3) по мокрому способу в шаровой планетарной мельнице «МП/0,5Ч4» составляет 18 мкм (диапазон размера частиц от 0,5 до 100 мкм). Таким образом, наиболее эффективным способом получения волокнистого наполнителя на основе макулатуры является мокрый способ измельчения в шаровой планетарной мельнице в течение 15 минут.

Для оценки влияния введения разработанного волокнистого наполнителя на формирование физико-механических характеристик конструкционно-теплоизоляционного пенобетона производились исследования по концентрации наполнителя в пенобетонной смеси и способу его введения в смесь.

Для составления композиции использованы следующие исходные материалы: в качестве основного вяжущего портландцемент марки ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108-2003, в соответствие с требованиями ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия» производства ОАО «Холсим (Рус)» (Россия); белковый пенообразователь «GreenFroth P» производства фирмы «Laston» SPA, в соответствие с требованиями ASTM 869-80 (Италия); вода водопроводная по ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия», технический углерод - твердый углеродистый порошок с размерами частиц в пределах 10^-3-10^-6 мм, полученный в результате пиролиза резинотехнических изделий производства фирмы ООО «Элитар» Саратовской области. В качестве эффективного наполнителя использовался волокнистый целлюлозный наполнитель, полученный в результате мокрого измельчения макулатуры марок МС 8-11В по ГОСТ 10700-97 «Макулатура бумажная и картонная. Технические условия» в водной суспензии с добавлением пластификаторов и кремнистого заполнителя, которые позволяют улучшить технологические свойства формуемой смеси.

Для получения пенобетонных образцов вначале приготавливалась пена в течение 3-х минут в пеногенераторе из пенообразователя и воды, взятых в соотношении мас.%: 0,44-0,51 и 18,79-19,21 и вода для получения пены в количестве 19,21%. В результате приготовления пены её объем в 25-30 раз больше объема водного раствора. Цементный раствор готовили отдельно, при этом в портландцемент в количестве 43,65-45,93 мас.% вводили воду для затворения в количестве 14,18-15,91 мас.% смеханоактивированным наполнителем (макулатура, либо макулатура + технический углерод, либо макулатура + технический углерод +песок) 20,66-20,72 мас.%, после чего смесь перемешивают в лопастном смесителе при частоте вращения перемешивающего органа смесителя 80-100 об/мин в течение 3-х минут до получения однородной пластичной массы. Затем в полученный раствор подают приготовленную пену с последующим перемешиванием компонентов до получения однородной смеси при частоте вращения перемешивающего органа смесителя 60 об/мин. Полученную смесь укладывали в заранее подготовленные и смазанные формы и выдерживают не менее 12 часов при температуре не ниже 18°C при естественных условиях твердения до набора распалубочной прочности 0,5-1,1 МПа, либо при пропаривании в камере ТВО в течение 8 часов до набора 70-ти процентной прочности от марочной прочности.

При способе сухой минерализации механоактивированный наполнитель, измельченный в ножевой или планетарной мельнице по сухому способу, вводили в смесь после смешивания цементно-песчаного и приготовленной пены.

Испытания пенобетонных образцов с размерами 100Ч100Ч100 мм производились в соответствие с требованиями нормативных документов: средняя плотность по ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Методы определения плотности», прочность при сжатии по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», теплопроводность по ГОСТ 7076-87 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме». Результаты испытаний пенобетонных образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические характеристики пенобетонных образцов