Строительство и архитектура / 4. Современные строительные материалы

Инж. Манкеев Ж.Н., д.т.н. Югай В.А.

ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ»

Технологические параметры получения

оптимальной поровой структуры материала

Для получения поризованного бетона с заданными физико-техническими свойствами необходимо направленное регулирование технологического процесса на всех стадиях формирования структуры поробетона как в начальный период образования поромассы и ее минерализации, так и в период упрочнения структуры межпоровых перегородок до создания прочного конгломерата композиционного материала [1-2]. Свойства поробетона зависят от объемных концентраций твердой, жидкой и газовой фаз.

Основным условием образования ячеистой структуры материала на основе природного волластонита является химическое взаимодействие находящихся в парагенезисе с волластонитом карбонатов с кислотой. При кислотном разложении карбонатов образуется углекислый газ, который барботирует из объема реакционной смеси, образуя поромассу, что предопределяет получение материала ячеистой структуры. Изменение технологических параметров предоставляет реальную возможность регулировать формирование пористой структуры материала в требуемом направлении [102]. Равномерность распределения пор, их величина и форма зависят от синхронизации скоростей двух одновременно протекающих процессов – газовыделения и схватывания поромассы. Установлено, что чем крупнее помол волластонита, тем мельче поры. При тонкости помола волластонита 220 м²/кг образуются преимущественно мелкие поры диаметром 0,01-0,03 мм, содержание пор диаметром 0,1-0,5 мм не превышает 20 % и возрастает при тонкости помола волластонита 320 м²/кг до 50-60 %. При тонкости помола волластонита 450 м²/кг поры крупные, достигают размера 1-3 мм (иногда до 5 мм), в основном круглой формы.

Для выбора рациональной технологии и оптимальных параметров получения жаростойкого поробетона, учитывая применение различных исходных материалов, изучено влияние способов минерализации поромассы на свойства поробетона. Для разложения сопутствующих карбонатов в природном волластоните и порообразования использовали водный раствор ортофосфорной кислоты с концентрацией 30 %. Для минерализации поромассы использовали известь с содержанием активных CaO+MgO 84 %, удельной поверхностью 500 м²/кг и наполнители – домолотый в пыль отсева от щебня из шлака высокоуглеродистого феррохрома, высокодисперсную золу-унос Аксуской ГРЭС с 5-6 полей электрофильтров с удельной поверхностью 500 м²/кг, каолин, огнеупорную глину и родусит с удельной поверхностью 350 м²/кг. Для повышения жаростойкости поробетона применяли алюминатные добавки: гидроксид алюминия, алюмокалиевые квасцы и оксид алюминия.

При выполнении экспериментов контролировали стабильность поромассы, расплыв формовочной смеси, структурные характеристики, прочностные показатели получаемых материалов. В основной серии экспериментов тонкость помола волластонита по остатку на сите № 008 составляла 8%, удельная поверхность 350 м²/кг, насыпная плотность 950 кг/м³. Установлено, что при добавлении водного раствора H₃PO₄ к предварительно смешанным твердым компонентам (известь + волластонит + наполнитель + алюминатная добавка) при перемешивании верхние слои массы, вступая во взаимодействие с H₃PO₄, начинают вспучиваться, тогда как нижние слои остаются практически сухими. При дальнейшем перемешивании первоначально образовавшаяся поромасса начинает разрушаться, тогда как нижние слои только начинают реагировать с кислотой. Такой способ приготовления не обеспечивает равномерного смешивания сухих компонентов с кислотой. Увеличение времени перемешивания более 15 с отрицательно влияет на структурные показатели получаемого материала. Часть образовавшегося CO₂ уходит через частично разрушившиеся открытые поры, что приводит к уплотнению структуры и уменьшению общей пористости.

Приготовление формовочной массы путем введения сухих компонентов в водный раствор H₃PO₄ способствует лучшему перемешиванию смеси. Однако и в этом случае поромасса характеризуется крупнопористой структурой с открытыми сообщающимися порами. Образование формовочной массы крупнопористой структуры объясняется бурным прохождением реакции взаимодействия кислоты с сухой массой. Сверху образуются крупные поры путем слияния мелких пор, выходящих из нижних слоев массы. Укрупняясь, поры лопаются, что предопределяет неравномерность формирующейся структуры, снижение общей пористости и приводит к снижению прочностных показателей поробетона.

Поробетон, изготовленный путем сухой минерализации поромассы, характеризуется наиболее высокими прочностными показателями, что объясняется сравнительно однородной пористостью с равномерно распределенными порами по всей массе. Более однородная структура материала обеспечивается тем, что смесь извести, наполнителя и алюминатной добавки вводятся в поромассу, предварительно полученную в результате взаимодействия волластонита и водного раствора H₃PO₄. За короткое время перемешивания (40-60 с) сухая смесь не успевает забрать всю воду из формовочной поромассы, что обусловливает ее достаточную текучесть и подвижность. При сухой минерализации значительно снижается жидкотвердое отношение. При этом сохраняется текучесть, удобообрабатываемость и формуемость формовочной массы. Эти факторы и определяют повышенную пористость и прочность поробетона. Кроме того, сухая минерализация поромассы отличается сравнительной простотой осуществления, так как включает только две операции – приготовление поромассы в системе волластонит – кислота и ее минерализацию.

На основании этих исследований способ сухой минерализации был положен в основу разработки технологии получения теплоизоляционного жаростойкого поробетона. Исследования показали, что при интенсивности подачи сухой смеси извести и наполнителя в поромассу, более 16 г/(мин·см²) или менее 10 г/(мин·см²) формовочные свойства поромассы характеризуются неоднородностью поровой структуры по высоте: в первом случае из-за разрушения и комкуемости получаемой формовочной смеси, во втором случае, при растянутом времени минерализации, – из-за обильного газовыделения и накопления жидкости в нижних слоях поромассы. Смесь течет, газ бурно выделяется, поры поверху лопаются. Это определяет неоднородность поромассы, а после перемешивания ее с известью и наполнителем – неоднородность структуры поробетона: сверху смесь крупнопористая, внизу - плотная. Поры поверху крупные лопаются, смесь оседает.

Учитывая, что время химического взаимодействия кислоты с карбонатами волластонита находится в пределах 5-6 мин, продолжительность перемешивания минерализованной формовочной смеси должна находиться в пределах 50-60 сек, чтобы успеть уложить смесь в формы и сохранить время для остаточного взаимодействия компонентов с довспучиванием массы. Приготовление и укладка формовочной поромассы в таком диапазон времени обеспечивает стабильность технологии и получение поробетона с заданными физико-механическими свойствами. Наилучшей стабильностью характеризуется формовочная масса, полученная при скорости перемешивания 400-450 об/мин. При этом обеспечивается необходимый диапазон времени для стабильной минерализации поромассы (50-60 с), в течение которого фактически не происходит изменений в пороструктуре (сохраняется выход поромассы, средний диаметр пор, распределение пор по размерам). Равномерное распределение твердой фазы в поромассе способствует улучшению ее формовочных свойств (повышение текучести, улучшение удобоукладываемости), а сохранение достаточного диапазона времени для химического взаимодействия компонентов в формах обеспечивает оптимальные условия образования поровой структуры материала при достаточной пластической прочности к концу процесса вспучивания.

Оптимизацию составов поробетона производили исходя из условий обеспечения литьевой консистенции поромассы при минимальном значении жидкотвердого отношения, определяющего максимальные прочностные показатели получаемого поробетона. Консистенцию поромассы определяли на вискозиметре Суттарда по ее расплыву. Литьевой консистенцией обладают поромассы с диаметром расплыва 140-150 мм. Формовочную поромассу готовили при различных расходах извести, наполнителей и различной концентрации H₃PO₄ .

Известно, что основными факторами, влияющими на качество поромасс и пористую структуру получаемого материала, являются вид и концентрация порообразователя, вводимые стабилизаторы, минерализаторы и другие добавки, интенсивность перемешивания, дисперсность компонентов, соотношение жидкой и твердой фаз и др. Изменение параметров технологического процесса позволяет регулировать формирование пористой структуры материала в требуемом направлении.

Для исследования влияния концентрации ортофосфорной кислоты на прочность поробетона были изготовлены составы с различными наполнителями. Содержание наполнителей принято 20 %, извести – 10 % в составе сухих компонентов смеси. Как показывают полученные данные, при 30% -ной концентрации H₃PO₄ поробетон имеет наибольшую прочность при сжатии. При использовании 20 %-ной кислоты прочность поробетона на всех видах наполнителя получена ниже на 20-25 %. При 50 %-ной концентрации H₃PO₄ прочность поробетона с золой-уносом, резко снижается, тогда как с остальными наполнителями остается практически без изменения. Прочность поробетона с принятыми в исследованиях наполнителями возрастает в ряду: зола-унос <каолин<родусит<шлак высокоуглеродистого феррохрома<огнеупорная глина.

Установлено, что при 30 %-ной концентрации H₃PO₄ оптимальное жидко-твердое отношение (жидкость – вода+кислота), обеспечивающее требуемую подвижность формовочной массы (140-150 мм), находится в пределах: 0,78-0,80 для поробетона с золой-уносом, 0,75-0,77 – с родуситом, 0,68-0,70 – со шлаком, 0,72-0,75 с каолином, 0,70-0,73 – с огнеупорной глиной. При 50%-ной концентрации H₃PO₄ жидкотвердое отношение поробетонной смеси с золой-уносом увеличивается до 0,83, с родуситом – до 0,79, каолином – до 0,77, шлаком и огнеупорной глиной – до 0,75.

Исследованиями установлено, что структурная пористость поробетона также зависит от концентрации H₃PO₄. При 50%-ной концентрации H₃PO₄ реакция протекает бурно, поры образуются крупные. Смесь, поднимаясь под воздействием газовыделения, под действием силы тяжести опускается, как бы «дышит». После стабилизации смесь имеет крупнопористую структуру, содержит в основном (до 50 %) поры диаметром 0,7-1,5 мм, до 30 % – крупностью 2-3 мм. При 30%-ной концентрации H₃PO₄ порообразование более спокойное, газовыделение идет равномернее, поромасса характеризуется более равномерной и мелкой пористостью, диаметр пор в основном до 0,5 мм. При еще более медленном вспучивании смеси (20 %-ная H₃PO₄) возрастает количество пор диаметром до 0,15 мм.

Таким образом, равномерное газообразование позволяет получить поромассу сотовой структуры с однородной пористостью.

Литература:

1 Хлыстов А.И., Сухов В.Ю., Риязов Р.Т. Легкие поризованные жаростойкие бетоны // Современные инвестиционные процессы и технологии строительства: Сб. трудов секции «Строительство» Российской инженерной академии.- Самара.-2002.-Вып. 3.-С. 91-102.

2 Горин В.М., Сухов В.Ю., Нехаев П.Ф., Хлыстов А.И. Риязов Р.Т.

Легкий жаростойкий бетон ячеистой структуры // Строительные материалы. - 2003. -№8. -С. 17-19.

3 Ергешев Р.Б., Кулибаев А.А., Югай В.А., Родионова А.А., Тогаев А.К. Порообразование при кислотной обработке волластонитовых пород // Поиск. –Алматы, 2004.-№3.-С.43-46.