Разработка оптимальных составов неавтоклавного газобетона

РЕФЕРАТ. Установлены оптимальные (по максимальному пределу прочности на сжатие и минимальному расходу цемента) соотношения компонентов, минеральных и химических добавок: соотношение минерального порошка и цемента МП/Ц = 1,3, содержание микрокремнезема — 9 масс. %, суперпластификатора С-3 — 0,6 масс. %, NaCl — 0,5 масс. % и разработаны оптимальные лабораторные составы неавтоклавного газобетона со сниженным расходом цемента марок по средней плотности D500, D600 и D800.

Ключевые слова: суперпластификатор С-3, минеральный порошок, микрокремнезем, неавтоклавный газобетон.

Keywords: superplasticizer C-3, mineralpowder, silicafume, non-autoclavedaerated concrete.

На современном этапе развития строительства ячеистые бетоны являются одним из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов и одновременно представляют собой конструкционные материалы. Они обладают низким коэффициентом теплопроводности, достаточной механической прочностью и изготавливаются из дешевого исходного сырья [1]. Объемы производства и применения ячеистого бетона указывают, что спрос на газобетон пониженной плотнос­ти будет неуклонно расти.

В России уже сегодня выпуск газобетона плотностью D350—D400 составляет не менее 30 % общего объема его производства [2]. Ячеисто-бетонные стены имеют наименыший период окупаемости, а нормируемые приведенные сопротивления теплопередаче для них могут быть установлены на 22—30 % меньше регламентированных СНиП 11—3—79 для соответствующих регионов. Панели из ячеистого бетона долговечные, пожаробезопас­ные, огнестойкие и могут применяться при постройке зданий различного назначения [3]. Полученный материал отличается пониженной плотностью и низким коэффициентом теплопроводности, а эти параметры — одними из наиболее важных показателей теплозащитных свойств материа­лов и конструкций [4].

Развитие и внедрение энергосберегающих и конкурентоспособных строительных материалов — важный вопрос для строительной отрасли. В общем объеме производства стеновых материалов значительный объем занимают силикатные изделия. Сокращение расхода энергии на стадиях производства и эксплуатации продукции, а также рост объемов выпуска и повышение ее качества могут быть достигнуты путем разработки и внедрения современных ресурсосберегающих технологий [5]. Для решения данной проблемы наиболее актуальны разработки новых технологических приемов, методов использования в производстве неавтоклавных ячеистых бетонов материалов местной сырьевой базы и минеральных промышленных отходов. Это позволит обеспечить производство источниками дешевого и частично уже подготовленного минерального сырья и создаст реальные возможности для экономии энергетических ресурсов и капитальных вложений [6]. Одним из способов улучшения свойств композиционных материалов, в том числе газобетонов неавтоклавного твердения, является подбор оптимального гранулометрического состава их минеральной части.

В работе [7] рассмотрен и усовершен­ствован метод оптимизации гранулометрического состава заполнителя путем приближения его к эталонной кривой просеива­ния минеральной части тяжелого бетона, в результате чего достигается улучшение его физико-механических свойств. С использованием опуб­ликованных данных, полученных другими исследователями, и результатов собственных исследований формирования структуры камня на основе цементных, известково-кремнеземистых и органических вяжущих авторами данной статьи разработаны обобщенные топологические модели структуры и структурных элементов [8, 9]. В работах [10, 11] отмечено, что для достижения высокой прочности газобетона необходимо создавать наиболее плотную компактную упаковку межпоровой перегородки, это достигается при использовании полидисперс­ного наполнителя.

В настоящей работе рассмотрены оптимальные составы неавтоклавного газобетона со сниженным расходом цемента марок по средней плотности D500, D600 и D800 на основе разработанного связующего вещества для межпоровых перегородок газобетона. В этой связи представляется актуальным проведести исследования, направленные на снижение расхода цемента для приготовления эффективных видов ячеистого бетона. В качестве исходных материалов использовались бездобавочный портландцемент М 500, неактивированный порошок минеральный по ГОСТ Р 52129—2003 (доломитовая мука), микрокремнезем (МК), алюминиевая пуд­ра марки ПАП-2, суперпластификатор С-3, ускорители твердения NaCl и NaOH. Чтобы определить ориентировочное сотношение В/Т и содержание алюминиевой пудры для газобетона марки по средней плотности D500, а также проверить оптимальные дозировки микрокремнезема, суперпластификатора С-3 и ускорителя твердения NaCl, выполнялся эксперимент с варьированием соотношения В/Т (в пределах 0,35—0,50), содержания алюминиевой пудры (550—650 г на 1 м³ газобетона), содержания NaOH (0—1,5 % массы цемента).

Чтобы определить оптимальное соотношение минерального порошка и портланд­цемента с добавкой МК без газообразователя (невспученной матрицы газобетона), выполнялся планированный двухфакторный эксперимент с варьированием массовых соотношений минерального порошка к цементу Х₁ = МП/Ц = 1,0...1,5 и МК к цементу Х₂ = МК/Ц = 0...0,15 на образцах в виде кубов с длиной ребра 70 мм при одинаковой по­движности смеси (расплыв смеси (РС) по Суттарду — 15—16 см). Твердение образцов происходило в течение 7 сут в нормальных условиях. Результаты приведены в табл. 1 и на рис. 1, 2.

Рис. 1. Зависимость предела прочности невспученной матрицы газобетона при сжатии от соотношения МП/Ц и содержания МК

Рис. 2. Зависимость предела прочности невспученной матрицы газобетона при сжатии от содержания МК и соотношения МП/Ц

Для определения оптимального содержания компонентов комплексной химической добавки (суперпластификатора С-3 и ускорителя твердения NaCl) в невспученной мат­рице газобетона выполняли планированный двухфакторный эксперимент с варьированием содержания С-3 в пределах 0—0,6 % массы цемента и ускорителя твердения NaCl — 0—1,0 % массы цемента на образцах в виде кубов с длиной ребра 70 мм при одинаковой подвижности смеси (РС по Суттарду 15—16 см). Образцы твердели в течение 7 сут в нормальных условиях. Результаты приведены в табл. 2 и на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость предела прочности невспученной матрицы газобетона при сжатии от содержания C-3 и содержания NaCl

В случае введения суперпластификатора С-3 в количестве 0,6 % массы цемента предел прочности образцов при сжатии увеличивается в среднем на 40 %, в случае введения NaCl в количестве 1 % массы цемента — на 15 %. Максимальную прочность (16,4 МПа) показал состав № 4 с содержанием С-3, равным 0,6 %, и NaCl — 1 % массы цемента. При содержании NaCl свыше 0,5 % прочность существенно не увеличивается, поэтому в качестве оптимального приняли состав № 6 с прочностью 15,6 МПа с содержанием С-3, равным 0,6 %, и NaCl — 0,5 %. В таких количествах вводили эти компоненты в образцы на последующих этапах исследования.

Таким образом, разработан состав невспученной матрицы неавтоклавного газобетона или связующего вещества его межпоровых перегородок на основе портландцемента, минерального порошка из карбонатных горных пород, микрокремнезема, суперпластификатора С-3 и NaCl. Установлены оптимальные (по максимальному пределу прочности на сжатие и минимальному расходу цемента) соотношение МП/Ц = 1,3 и содержание МК (9 масс. %), С-3 (0,6 % массы цемента), NaCl (0,5 % массы цемента).

С увеличением количества МП в смеси предел прочности при сжатии уменьшается, а с увеличением количества МК в ней до 7,5— 9,0 % предел прочности при сжатии вначале увеличивается, а затем уменьшается. Максимальную прочность, равную 12,1 МПа, показал состав № 5 с соотношением МП/Ц = 1 и содержанием МК 7,5 %. В соответствии с техническим заданием при производстве газобетона расход цемента должен быть пониженным, поэтому оптимальным является состав № 9 с прочностью 11,2 МПа при соотношении МП/Ц = 1,25 и содержании МК, равном 7,5 %.

На рис. 1 и 2 видно, что увеличение соотношения МП/Ц до 1,3 возможно без существенной потери прочности газобетона при одновременном увеличении количества МК до 9 %. Окончательно принят оптимальный состав, в котором соотношение МП/Ц = 1,3 и содержание МК равно 9,0 %. При этом расход цемента снижается на 16 % по сравнению с контрольным составом № 1. Состав газобетона неавтоклавного твердения подбирали на образцах в виде кубов с длиной ребра 100 мм, прочность которых определяли после твердения в течение 7 и 28 сут при температуре 20 ± 2 °С и относительной влажности воздуха 95—100 %. Рабочую консистенцию (густоту) растворной смеси определяли при помощи прибора Суттарда в соответствии с требованиями ГОСТ 23789. Установлено, что значение расплыва по Суттарду, равное 26—28 см, которое необходимо для получения газобетона марки по средней плотности D500 из смеси с оптимальным содержанием добавки МК, равным 9 %, достигается при высоких значениях В/Т, что объясняется высокой дисперсностью МК. Получен первоначальный состав газобетона (В/Т = 0,5, содержание Al — 650 г на 1 м³ газобетона, содержание NaOH — 0,5 % массы цемента), который соответствует требованиям по средней плотности для марки D500. Далее оптимизировали состав для достижения наибольшей прочности газобетона при заданной плотности путем проведения эксперимента при варьировании соотношения В/Т и содержания алюминиевой пудры. С уменьшением соотношения В/Т от 0,50 до 0,44 и содержания алюминиевой пудры — от 650 до 600 г на 1 м³ газобетона средняя плотность и предел прочности при сжатии увеличиваются. Для получения газобетона марки по средней плотности D500 оптимальное соотношение В/Т составляет 0,48, а содержание алюминиевой пудры — 650 г на 1 м³ (табл. 3). В этом случае температура смеси в момент выгрузки в форму была около 40 °С, время вспучивания 10 мин, средняя плотность 500 кг/ м³, предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут — 1,10 МПа (предполагаемый класс по прочности В1). Снижение расхода цемента составляет 37,3 кг на 1 м³ неавтоклавного газобетона на 16,4 % меньше по сравнению с контрольным составом № 1, в котором МП/Ц = 1,25. Для определения оптимального состава неавтоклавного газобетона марки по средней плотности D600 выполнялся двухфакторный планированный эксперимент с варьированием соотношения В/Т в пределах 0,46—0,48 и содержания алюминиевой пудры в пределах 500—550 г на 1 м³ газобетона при МП/Ц = 1,3; МК/Ц = 0,09; содержании С-3, равном 0,6 %, NaCl — 0,5 %, NaOH — 0,5 %. Образцы в виде кубов с длиной ребра 100 мм твердели в течение 7 и 28 сут в тех же условиях, что и при оптимизации газобетона марки D500.

Для всех составов с увеличением соотношения В/Т предел прочности при сжатии уменьшался. Наблюдалось отслоение и разрыхление верхней части образцов, что является следствием перерасхода газообразователя. Для получения газобетона марки по средней плотности D600 оптимальное соотношение В/Т составляет 0,46, а содержание алюминиевой пудры — 500 г на 1 м³ (состав № 1) (табл. 4). Для этого образца температура смеси в момент выгрузки в форму составляла 40 °С, время вспучивания — 11 мин, средняя плотность — 592 кг/м³,предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут — 2,45 МПа (предполагаемый класс по прочности В1,5—В2). Снижение расхода цемента по сравнению с составом, в котором МП/Ц = 1,25, достигает 44,8 кг на 1 м³ неавтоклавного газобетона (16,4 %). Для определения оптимального состава неавтоклавного газобетона марки по средней плотности D800 выполнялся двухфакторный планированный экс­перимент с варьированием соотношения В/Т в пределах 0,42—0,44 и содержания алюминие­вой пудры 350—400 г на 1 м³ газобетона при МП/Ц = 1,3; МК/Ц = 0,09; содержании С-3, равном 0,6 %; NaCl — 0,5 %; NaOH — 0,5 %. Образцы и параметры твердения были такими же, что и при оптимизации газобетона марки D600.

Результаты испытаний образцов соответствуют заданной марке газобетона по средней плотности D800. Для получения газобетона этой марки оптимальное В/Т равно 0,44, а содержание алюминиевой пудры — 400 г на 1 м³ (состав № 4) (табл. 5). При этом температура смеси в момент выгрузки в форму — около 40 °С, время вспучивания — 11 мин, средняя плотность — 757 кг/м³, предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут — 5,30 МПа (предполагаемый класс по прочности — В3,5). Снижение расхода цемента составляет 60,6 кг на 1 м³ неавтоклавного газобетона (16,4 %). В результате исследования разработан состав связующего вещества межпоровых перегородок неавтоклавного газобетона на основе портландцемента, содержащий МП из карбонатных горных пород, МК, суперпластификатор С-3 и NaCl. Установлены оптимальные (по максимальному пределу прочности при сжатии и минимальному расходу цемента) соотношение МП/Ц = 1,3, содержание МК — 9 %, С-3 — 0,6 %, NaCl — 0,5 %, что позволило разработать оптимальные лабораторные составы неавтоклавного газобетона со сниженным расходом цемента марок по средней плотнос­ти D500, D600 и D800 (табл. 6).

ЛИТЕРАТУРА

1. Якимечко Я.Б. Неавтоклавные газобетоны с полидисперс­ными наполнителями на основе отходов промышленности // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 24—26.

2. Прохоров С.Б. Перспективы развития и особенности использования российских специализированных алюминиевых газобразователей // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 94—95.

3. Сажнев Н.П., Беланович С.Б., Бухта Д.П., Федосов Н.Н. и др. Наружные ограждающие конструкции зданий из крупноразмерных ячеисто-бетонных изделий // Строительные материалы. 2011. № 3. С 12—18.

4. Мизюряев С.А., Мамонов А.Н., Горин В.М., Токарева С.А. Структурированный высокопористой силикатнатривый материал повышенной тепло- и термостойкости // Строительные материалы. 2011. № 7. С. 8—9.

5. Шинкевич Е.С., Луцкин Е.С. Технологические особенности производства силикатных изделий неавтоклавного твердения // Строительные материалы. 2008. № 11. С. 54—56.

6. Белов В.В., Курятников Ю.Ю. Использование золы гидроудаления при изготовлении сухой готовой смеси для неавтоклавного газобетона // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. № 1. С.34—38.

7. Белов В.В., Смирнов М.А. Формирование оптимальной структуры композиций для изготовления безобжиговых строительных конгломератов // Вестник центрального регионального отделения РААСН. Воронеж, 2010. С. 65—72.

8. Рахимов Р.З, Рахимова Н.Р. Топологические модели структуры и структурных элементов строительных композиционных материалов // Цемент и его применение. 2011. № 6. С. 62—65.

9. Рахимов Н.Р. Шлакощелочные вяжущие и бетоны с силикатными и алюмосиликатными добавками. Дис. … д-ра техн. наук. Казань, 2010. С. 38.

10. Якимечко Я.Б. Неавтоклавные газобетоны с полидисперсными наполнителями на основе отходов промышленности // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 24—26.

11. Белов В.В., Образцов И.В, Смирнов М.А. Проектирование и практические способы оптимизации составов минеральных вяжущих систем // Цемент и его применение. 2011. № 6. С. 107—111.