Ячеистый бетон пониженной плотности

Получение ячеистого бетона средней плотностью 150–200 кг/м³ требуемой прочности на сжатие – сложнейшая технологическая задача. Долгое время экспериментальные исследования Института НИИСМ были направлены на повышение его прочностных показателей.

В Республике Беларусь выпускаются плиты тепло­изоляционные из ячеистого бетона в соответствии с требованиями СТБ 1034–96 «Плиты теплоизоляционные из ячеистых бетонов. Технические условия».

Производство теплоизоляционных плит из ячеистого бетона автоклавного твердения марок по средней плотности D150‑D250 освоено на ОАО «Гродненский комбинат строительных материалов» и ОАО «Сморгоньсиликатобетон».

Технология производства автоклавного ячеистого бетона пониженной плотности имеет определенные особенности. У такого бетона более 90 % объема занимают газовые и капиллярные поры, поэтому межпоровый «скелет» должен обладать достаточной прочностью. Для создания такого бетона необходимо, чтобы компоненты ячеистобетонной смеси для получения теплоизоляции имели более высокие качественные показатели, чем при производстве конструкционного бетона. Активность ячеистобетонной смеси должна быть 18–20 %, удельная поверхность известково‑песчаного вяжущего – ~ 5000 см²/г, удельная поверхность песка в песчаном шламе – ~3000 см²/г, водотвердое отношение, как правило, составляет 0,60–0,65.

В процессе исследований и разработки технологии производства ячеистого бетона пониженной плотности было установлено, что для стабилизации сформировавшегося массива необходимо применение специальных добавок. Ранее учеными была разработана комплексная химическая добавка СПК на основе омыленной абиетиновой смолы.

В течение последних лет экспериментальные исследования государственного предприятия «Институт НИИСМ» были направлены на повышение прочностных показателей автоклавного ячеистого бетона пониженной плотности как за счет увеличения прочности силикатного камня дисперсным армированием волокнистыми добавками, так и в результате повышения качества пористой структуры материала.

Дисперсное армирование силикатного камня волокнистыми добавками – эффективный технологический прием. Армирование позволяет активно влиять на характер напряженного состояния матрицы ячеистого бетона при приложении нагрузок и за счет перераспределения напряжений тормозить процессы развития трещин и разрушения материала.

При проведении исследований по дисперсному армированию ячеистого бетона использовались сухие отходы асбестоцементного производства. Введение до 12–30 % асбестоцементных отходов в состав известково‑песчаного вяжущего позволяло повысить прочность ячеистого бетона при изгибе в 1,8–2,2 раза. Однако из-за непостоянного состава данных отходов использовать их в производственном процессе сложно, а применение волокнистого асбеста в настоящее время ограничено. По этой причине в качестве армирующего компонента использовался волластонит марки Casiflux F75. Химический состав волластонита: СаО – 44,5 %, SiO₂–53 %, Fe₂O₃–0,16 %, Al2O3– 0,8 %, MgO – 0,6 %, насыпная плотность – 450 кг/м³.

Для волластонита характерна игольчатая структура кристаллов с отношением длины волокна к его диаметру в зависимости от марки (L/D) от 3:1 до 20:1. Игольчатость является определяющим фактором для упрочнения и повышения долговечности и износостойкости строительных материалов. Использование волластонита целесообразно при изготовлении изоляционных плит из силиката кальция, которые выдерживают температуру до 1400 0С и применяются для футеровки изложниц для приема жидкого алюминия и других металлов. Микроармирующие свойства волластонита обеспечивают безусадочность изготавливаемых с его применением материалов различного назначения.

В результате экспериментальных исследований по применению волластонита в производстве композиционных строительных материалов и изделий было выявлено его физико-химическое сходство с известково‑и цементосодержащими сырьевыми композициями. Активная избирательная адсорбция продуктов гидратации связующего оказывает существенное влияние на реологические параметры, формирование структуры, прочностные и деформативные свойства затвердевших композитов.

Предварительные исследования свойств ячеистого бетона средней плотностью 150–200 кг/м³ в лабораторных условиях подтвердили эффективность использования волластонита марки Casiflux F75 в качестве армирующей добавки. Промышленные испытания были проведены на ОАО «Сморгоньсиликатобетон» на технологической линии «Силбетблок» по действующей технологии производства ячеистого бетона.

При изготовлении теплоизоляционных плит из ячеистого бетона марок по средней плотности 150–200 кг/м³ использовались следующие сырьевые материалы:

• известково‑песчаное вяжущее с активностью 36–38 %, удельная поверхность – 4950–5100 см2/г;
• портландцемент ПЦ 500 Д0;
• пудра алюминиевая парафинированная марки ПАП I по ГОСТ 5494;
• песчаный шлам, удельная поверхность – 3000–3100 см2/г;
• волластонит марки Casiflux F75;
• СПК‑200 – воздухововлекающая добавка, приготовленная на основе омыленного клея канифольного, модифицированного жидким стеклом по ТУ РБ 100122953.312.

При расчете и подборе сырьевых смесей исходили из намерения получить теплоизоляцию марки по средней плотности D 150–200 кг/м³. Расчетная активность бетонной смеси составляла 20 %. Количество алюминиевого газообразователя – 0,53–0,58 % от массы сухих. Добавку СПК‑200 вводили в количестве 0,38–0,55 % от массы сухих. Количество добавки волластонита – 2–3 % от массы сухих.

Последовательность загрузки компонентов в виброгазобетоносмеситель использовалась по действующей на ОАО «Сморгоньсиликатобетон» схеме. Весь цикл перемешивания сырьевой смеси составлял 3–4 мин.

Автоклавную обработку заформованных массивов осуществляли по следующему режиму: подъем давления до 0,8–1,0 МПа (3–4 часа), выдержка при давлении 0,8–1,0 МПа (7–8 часов) и спуск давления в течение 4 часов. Общий цикл запаривания составлял 15–16 часов.

Составы и технологические свойства смесей при формовании приведены в таблице 1.

При исследовании технологических параметров сырьевой смеси регистрировали следующие характеристики:

• начальную температуру смеси (Тн);
• температуру начала роста массива (Тв);
• конечную температуру разогрева массива после роста (Тк);
• растекаемость смеси по Суттарду, время роста массива.

Начальная температура сырьевой смеси при разгрузке из смесителя составляла 28–30 ⁰С, рост (вспучивание) массивов начинался при температуре 46–47 ⁰С, конечная температура массива достигала 94–96 ⁰С; растекаемость варьировалась от 32 до 38 см. Время роста ячеи­стобетонного сырца составляло 4–6 минут.

Исследования физико-механических и теплотехнических свойств теплоизоляционных плит проводились по стандартным методикам.

Согласно результатам исследований, решающее влияние на свойства ячеистого бетона оказывает количество вводимой в ячеистобетонную смесь добавки волластонита. Образцы с добавкой до 5 % волластонита имеют прочность при сжатии и изгибе в два раза выше по сравнению с контрольными образцами и отличаются более низкими значениями усадки при высыхании и линейной температурной усадки при нагревании.

Были выполнены экспериментальные исследования по определению теплозащитных свойств теплоизоляции на основе плит теплоизоляционных, изготовленных из массива Ю‑59.

Термическое сопротивление слоя теплоизоляции из плит теплоизоляционных из ячеистых бетонов средней плотностью 200 кг/м³ определялось в климатической камере на фрагменте бесшовной кладки толщиной 150 мм. Испытание выполнено по ГОСТ 26254–84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций».

Результаты экспериментального определения термического сопротивления фрагмента представлены в таблице 2.

Из полученных результатов следует, что термическое сопротивление фрагмента теплоизоляционного слоя толщиной 150 мм из плит теплоизоляционных из ячеистых бетонов средней плотностью 200 кг/м³ составляет 2,651 м²•⁰С/Вт, теплопровод­ность – 0,057 Вт/(м²•⁰С), что обуславливает эффективность использования плит теплоизоляционных из ячеистого бетона для теплоизоляции.

Исследования влияния добавки волластонита на минералогический состав образцов ячеистого бетона проводились рентгенографическим и дериватографическим анализом контрольного образца Ю‑56 и образцов с добавкой волластонита Ю‑58 и Ю‑59. Дифрактограммы исследованных образцов близки. Гидросиликаты как контрольного состава Ю‑56, так и составов Ю‑58, Ю‑59 представлены группой гелевидных гидросиликатов CSH (I) и тоберморита. Введение добавки волластонита способствует увеличению количества тоберморита и повышению степени его закристаллизованности.

Термическая стойкость опытных образцов ячеистого бетона определялась воздушными теплосменами. После высушивания образцов до постоянной массы их помещали в печь, предварительно разогретую до расчетной температуры (600 ⁰С), и выдерживали при ней один час. Колебание температуры в печи составляло ±20 ⁰С. Через час образцы вынимали из печи и охлаждали струей воздуха до комнатной температуры. Затем нагревание повторяли. Каждый нагрев и охлаждение на воздухе являлись теплосменой. После каждой теплосмены остывшие образцы осматривали, отмечали появление трещин, характер разрушения и определяли потерю массы.

Количество теплосмен, вызвавших разрушение образцов или потерю бетоном 20 % первоначальной массы, принимали за термическую стойкость бетона в воздушных теплосменах (таблица 3).

После 20 воздушных теплосмен образцы составов ячеистого бетона с волластонитом Ю‑58, Ю‑59 имеют потерю массы, не превышающую 5 %, остаточная прочность образцов – более 60 %. Это подтверждает возможность применения данного бетона для изоляции теплового оборудования с температурой изолируемой поверхности до 600⁰С.

Проведены исследования и получены экспериментальные данные по прочностным и усадочным характеристикам образцов плит с добавкой 15 % волластонита в интервале температур от 600 до 1200 ⁰С и установлена возможность их применения для изоляции теплотехнического оборудования с температурой изолируемой поверхности (контактная температура) до 1000 0С.

По материалам доклада Н. П. Богдановой, И. А. Белова, Е. Я. Подлузского, ГП «Институт НИИСМ»; Е. С. Клинчук, Т. Л. Вербицкой, ОАО «Сморгоньсиликато­бетон»