Изделия из цементных перлитобетонов
Опубликовано: 02.09.2018
Рассмотрены некоторые аспекты проблемы получения сборных изделий из пористого бетона в виде цементного перлитобетона. Отмечена возможность применения теплоизоляционных изделий из цементного перлитобетона в энергоэффективном строительстве.
Some aspects of the manufacturing process of precast concrete products from porous concrete in form of perlite concrete have been described. The possibility of using heat insulating products from perlite concrete in energy effective construction was discussed in the paper.
ВВЕДЕНИЕ
Энергоэффективное строительство возможно при массовом использовании изделий из пористых композиционных материалов (ПКМ), обеспечивающих сопротивление теплопередаче R Т ограждающих конструкций более 3,2 м2×К/Вт. Такой уровень R Т требует применения в строительных конструкциях, например наружных стен, ПКМ в виде пористых бетонов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОРИСТЫХ БЕТОНАХ
Пористые бетоны – необжиговые (с температурой структурообразования Т < 573 К), твердые ПКМ с зернистой или ячеистой макроструктурой и общей пористостью не менее 50 % [1, 2]. Классификация ПКМ по параметру средней плотности r и основная номенклатура изделий из ПКМ (в основном различных ячеистых бетонов, перлитобетонов) рассмотрены в работах [1–3]. Эксплуатация сборных и монолитных изделий из ПКМ возможна как на строительных объектах, так и в условиях тепловых установок (эксплуатационная влажность W э = 0). Пористые бетоны с улучшенными физико-техническими свойствами при r < 600 кг/м3 имеют необходимые уровни несущей способности и теплотехнической однородности, что позволяет при толщине однослойной стены до 600 мм обеспечить заданные значения R Т [4].
Наибольшее распространение в практике энергоэффективного строительства получили сборные изделия из газобетонов автоклавного твердения.
МОДЕЛИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ПРОЧНОСТИ
Наряду с ячеистыми бетонами все большее применение в странах СНГ находят стеновые и теплоизоляционные изделия из цементных перлитобетонов. Основы технологии получения цементных перлитобетонов с улучшенными физико-техническими свойствами изложены в [3]. Достоверно установлено, что при r < 500 кг/м3 цементные перлитобетоны отличаются, от газобетонов автоклавного твердения повышенными значениями однородности средней плотности D r, уменьшенной анизотропией теплопроводности A l и прочности AR .
В общем случае качественная модель теплопроводности l пористых бетонов может быть представлена в виде
(1)
где Р – параметр пористости структуры;
Wэ – эксплуатационная влажность;
Т – температура структурообразования;
С – степень завершенности микро(нано)структурообразования;
D – степень однородности структуры;
А – степень изотропности структуры.
Исходя из данных теоретических и экспериментальных исследований, модель прочности для цементных перлитобетонов принимает вид
(2)
где P 1 – характеристика распределения пор в цементной матрице;
Р 2 – характеристика распределения пор во вспученном перлитовом песке (ВПП);
Ra – характеристика адгезионной прочности в системе «ВПП – цементный камень»;
Rm – характеристика когезионной прочности цементного камня;
Rc – характеристика когезионной прочности ВПП.
В цементных перлитобетонах имеет место соотношение Rm > Ra >> Rc . Поэтому возможно регулирование их сорбционной влажности Wc путем пассивации поверхности ВПП и уменьшения Ra до уровня Ra @ Rc за счет гидрофобизации ВПП (рис. 1).
Рис. 1. Частица вспученного перлитового песка размером 0,8 мм из сырья Закарпатья
С применением перлитобетона всегда связана проблема повышения сопротивления теплопередаче R и уменьшения эксплуатационной влажности W э. Уровень W э материалов (может быть уменьшен путем гидрофобизации), например стен, определяет не только физико-механические свойства конструкций, но и теплофизические.
Сорбционная влажность W с в общем случае, как и W э, зависит от множества факторов, основными из которых являются: природа материала c , плотность r , характер поровой структуры Р , поверхность сорбции z и степень завершенности структурообразования С , т. е. можно записать
(3)
Оценить степень гидрофобности пористого бетона можно с помощью коэффициента гидрофобности a по формуле
(4)
где W с 1, W с 2 – соответственно сорбционная влажность (по СТБ 4.201 [5] – сорбционное увлажнение) бетона до и после гидрофобизации.
ЦЕМЕНТНЫЕ ПЕРЛИТОБЕТОНЫ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ
С целью повышения степени гидратации и уменьшения расхода вяжущего в ЦПБ следует производить активацию цементной суспензии в присутствии ПАВ-гидрофобизатора, наличие которого может привести к уменьшению Rm до допустимого уровня Rm @ Ra . Разрушение тепловой изоляции цементных перлитобетонов происходит, как правило, по зерну ВПП, так как Ra >> Rc .
Наличие ВПП (параметр z существенно зависит от параметров перлитовой горной породы – сырья для производства ВПП) вносит существенный вклад в характер пористости цементных перлитобетонов и перлитоцементных изделий.
Сборные перлитоцементные изделия в виде плит и блоков производят в основном по прессовой технологии. Прессование сырьевых смесей перлитоцементных изделий возможно как в вертикальном направлении, так и в горизонтальном. Коэффициент однородности средней плотности D r и степень изотропности AR рассчитывали по методике [2].
Для технологических расчетов D r использовали схемы формования (прессования), описанные в [3]. Установлено, что двустороннее прессование в горизонтальном направлении не позволяет обеспечить необходимую однородность перлитоцементных изделий в вертикальном направлении (в этом случае D r = (0,84–0,87)). Наиболее эффективно двустороннее вертикальное сжатие при минимальных усилиях прессования, позволяющее получать перлитоцементные изделия с наилучшей однородностью средней плотности как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях. В этом случае D r = (0,90–0,92).
При изготовлении монолитных перлитоцементных изделий (формование в опалубке) сжатие смеси цементных перлитобетонов практически отсутствует (коэффициент сжатия формовочной смеси близок к 1,00; параметр D r = (0,95–0,97)), а имеет место переупаковка частиц ВПП в соответствии с известными закономерностями формирования макроструктур из плотных сфер с различными укладками.
Расчеты и эксперименты показывают, что для «склеивания» сфер в местах контакта (для частичного заполнения межзерновых пустот) в объеме 1 м3 требуется 70–100 кг вяжущего (например, бездобавочного цемента). При переходе к плотно упакованной структуре цементных перлитобетонов следует учитывать, что часть вяжущего (самые активные частицы цемента размерами менее 5–10 мкм) неизбежно будет заполнять внутренние пустоты (открытые каналы, крупные поры) частиц ВПП размером более 80–140 мкм. Отсюда следует, что распространенные схемы изготовления перлитоцементных изделий, предполагающие смешение компонентов «цемент + ВПП» с применением сухого или полусухого ВПП (ВПП содержит сорбированную из воздуха влагу), являются нерациональными.
Кроме того, вследствие увеличения массы, наблюдается повышенное количество разрушенных частиц ВПП при их полусухом перемешивании с цементом перед увлажнением. При такой технологии подготовки смесей «ВПП + цемент» происходит фактическое изменение исходного заданного фракционного состава зерен ВПП уже на стадии перемешивания компонентов в смесителе до подачи среды затворения (как правило – воды).
Изучен процесс изменения исходной дисперсности частиц ВПП в процессе его перемешивания и прессования, что отражено в таблицах 1–6.
Из данных таблицы 7 видно, что вследствие «самоизмельчения» происходит увеличение насыпной плотности ВПП с исходной насыпной плотностью 80 кг/м3 – до 1,31 раза, 100 кг/м3 – до 1,23 раза, 120 кг/м3 – до 1,17 раза.
Таблица 1. Дисперсный состав различных ВПП
| № 1 (мелкий) | 17 | 29 | 45 | 9 | 0 |
| № 2 (средней крупности) | 8 | 38 | 26 | 28 | 0 |
| № 3 (крупный) | 6 | 27 | 22 | 38 | 7 |
Таблица 2. Дисперсный состав ВПП № 1 после перемешивания в смесителе СО-46А
| 30 | 25 | 29 | 40 | 6 | 0 |
| 60 | 31 | 33 | 32 | 4 | 0 |
| 90 | 52 | 23 | 21 | 4 | 0 |
Таблица 3. Дисперсный состав ВПП № 2 после перемешивания в смесителе СО-46А
| 30 | 11 | 52 | 20 | 17 | 0 |
| 60 | 19 | 56 | 13 | 12 | 0 |
| 90 | 28 | 57 | 7 | 8 | 0 |
Таблица 4. Дисперсный состав ВПП № 3 после перемешивания в смесителе СО-46А
| 30 | 8 | 52 | 18 | 22 | 0 |
| 60 | 11 | 63 | 14 | 12 | 0 |
| 90 | 15 | 75 | 7 | 3 | 0 |
Последующее увлажнение сухой перлитоцементной смеси повышает массу частиц ВПП, содержащих защемленные частицы цемента, что также приводит к их дальнейшему разрушению в процессе перемешивания.
Из полученных данных видно, что при рассмотренных условиях формования прессованных перлитоцементных изделий при минимальных усилиях прессования и коэффициенте сжатия смеси 1,5–2,0 (см. таблицы 5, 6) размер исходных частиц ВПП более 315 мкм является предпочтительным.
Таблица 5. Дисперсный состав ВПП после вертикального прессования при коэффициенте сжатия 1,5
| № 1 | 39 | 36 | 23 | 2 | 0 |
| № 2 | 18 | 47 | 16 | 19 | 0 |
| № 3 | 14 | 40 | 24 | 22 | 0 |
Таблица 6. Дисперсный состав ВПП после вертикального прессования при коэффициенте сжатия 2,0
| № 1 | 42 | 47 | 11 | 0 | 0 |
| № 2 | 31 | 58 | 7 | 4 | 0 |
| № 3 | 29 | 40 | 17 | 14 | 0 |
Таблица 7. Влияние длительности механического сухого перемешивания на насыпную плотность ВПП
| 80 | 89 | 93 | 99 | 105 |
| 100 | 105 | 109 | 114 | 123 |
| 120 | 120 | 127 | 130 | 134 |
Более перспективной представляется литьевая технология производства перлитоцементных изделий или технология формования изделий при малых значениях коэффициента сжатия формовочной смеси. При этом получены качественные перлитоцементные изделия с плотностью r = (130–160) кг/м3. В этом случае контактная зона цементных перлитобетонов представлена несплошными участками типа «спаек» из продуктов гидратации клинкерных минералов.
Общее количество неорганического клея (цементной вяжущей системы) должно быть таким, чтобы обеспечить качественное омоноличивание мест контакта частиц ВПП. При этом неизбежно, что часть вяжущего будет вовлекаться в пустоты частиц ВПП. Отсюда следует, что целесообразно использовать прием, который способствовал бы кольматации открытых пор зерен ВПП на этапе их подготовки перед смешением с вяжущей системой. Для этого достаточно применить поверхностную обработку ВПП гидрофобными жидкостями (например, эмульсией жидкости 136-157-М). Гидрофобизация зерен ВПП без термического закрепления гидрофобизатора обеспечит необходимый уровень Ra .
Эксперименты показали, что для получения цементных перлитобетонов с улучшенными физико-техническими свойствами при уменьшенном расходе вяжущего необходимо применять способы повышения активности цемента Rm , то есть известные методы его физико-химической активации в составе вяжущей системы [3, 4]. Один из вариантов производства перлитоцементных изделий с улучшенными физико-техническими свойствами и основы прогрессивной раздельной технологии описаны в [3].
При раздельной технологии общая масса воды (В) в формовочной смеси для изготовления перлитоцементных изделий определяется из выражения
(5)
где ВВС – масса воды в цементной вяжущей системе;
ВДС – масса воды в дисперсной системе на основе ВПП.
При этом масса воды в цементной вяжущей системе ВВС определяется по формуле
(6)
где Вкр – масса воды, предназначенной для образования кристаллогидратов при гидратации фаз, входящих в состав цемента (клинкера и гидравлических добавок) массой М 1 (для приближенных расчетов можно принять Вкр » 0,2 М 1);
Всвоб – масса свободной воды.
Заводская практика производства прессованных перлитоцементных изделий показала, что следует придерживаться условия
(7)
где М 2 – масса исходного сухого ВПП;
W – водопоглощение ВПП;
m ≤ 1 – эмпирический коэффициент, характеризующий способ формования (прессовый или литьевой), уровень Wc , состав цементных перлитобетонов (например, при прессовой технологии производства негидрофобизированных перлитоцементных изделий m = 1).
При изготовлении перлитоцементных изделий по раздельной технологии в результате использования модифицированного ВПП при смешении с активированной цементной вяжущей системой вовлечения наиболее активной части цементной суспензии во внутренние пустоты частиц ВПП не произойдет (параметр W уменьшен), что в итоге уменьшит расход вяжущего и существенно улучшит основные деформативные свойства перлитобетона. Присутствие избыточного количества воды в формовочной смеси позволяет рекомендовать для отверждения цементных перлитобетонов сушку.
Рекомендуемая для производства номенклатура перлитоцементных изделий из цементных перлитобетонов с улучшенными физико-техническими свойствами представлена в таблице 8, а сравнительные физико-технические свойства теплоизоляционных бетонов – в таблице 9.
Таблица 8
| Негидрофобизированный; И; ПР; МО; М | ТП, ТВ, З | ТП, ТВ, З | ТП, ТВ | БСМВ | БСМН, БСМВ, П |
| Гидрофобизированный; И; ПР; МО; М | ТФ, ТК, З | ТФ, ТК, З | БСМН, БСМВ, ТФ, ТК | БСМН, БСМВ | БСМН, БСМВ, П |
| Обозначения : БСМН – блоки стеновые мелкие для наружных стен; БСМВ – блоки стеновые мелкие для внутренних стен; П – плиты для перегородок мелкоразмерные; З – звуковая изоляция; ТП – тепловая изоляция промышленного оборудования при температуре эксплуатации до 700 оС; ТФ – наружная тепловая изоляция фасадов; ТВ – внутренняя тепловая изоляция стен; ТК – тепловая изоляция внутри каменной кладки; МО – изделия, получаемые с применением мобильного оборудования; И – изделия, получаемые формованием в индивидуальных формах (кассетах); ПР – изделия, получаемые прессованием; М – возможность применения бетона в монолитном строительстве. |
Таблица 9. Физико-технические свойства теплоизоляционных бетонов
| Средняя плотность, кг/м3 | 305 | 306 | 307 | 305 |
| Коэффициент вариации | 0,08 | 0,05 | 0,08 | 0,09 |
| Плотность материала бетона, кг/м3 | 3000 | 2390 | 2870 | 2870 |
| Прочность при сжатии, МПа | 0,79 | 0,85 | 0,77 | 0,70 |
| Коэффициент вариации | 0,17 | 0,14 | 0,17 | 0,18 |
| Сорбционная влажность при относительной влажности среды 97 %, мас. % | 14,4 | 2,7 | 14,6 | 14,0 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К) | 0,086 | 0,075 | 0,087 | 0,083 |
| Усадка, мм/м | 0,62 | 0,43 | 1,84 | 1,86 |
| Параметр D r | 0,86 | 0,92 | 0,86 | 0,88 |
| Параметр A R | 0,89 | 0,96 | 0,89 | 0,90 |
| Пористость: | ||||
| общая | 90 | 87 | 89 | 89 |
| открытая | 43 | 22 | 43 | 41 |
| закрытая | 47 | 65 | 46 | 48 |
В таблице 10 представлены данные экспертных оценок влияния основных факторов на прочность цементного негидрофобизированного перлитобетона , изготовленного по прогрессивной раздельной технологии .
Таблица 10
| Rс | 10 | 7 | 5 |
| Rа | 10 | 7 | 5 |
| Rm | 10 | 8 | 6 |
| Характериcтика распределения пор в матрице P 1 | 1 | 1 | 1 |
| Характеристика распределения пор в заполнителе Р 2 | 10 | 7 | 5 |
| Физико-химическаяактивация вяжущей системы | 10 | 10 | 6 |
| Технологическая культура производства, профессионализм персонала | 10 | 8 | 6 |
| Примечание – Максимальное значение рангов-баллов – 10, минимальное значение – 1. |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наличие в структуре цементных перлитобетонов жесткого пространственного каркаса из частиц ВПП способствует (например, по сравнению с газобетоном автоклавного твердения) уменьшению анизотропии прочности, усадки при высыхании, а гидрофобизация поверхностей ВПП уменьшает эксплуатационную влажность перлитоцементных изделий (см. таблицу 9).
Практика применения изделий из ячеистых бетонов и перлитоцементных изделий с r < 500 кг/м3 показывает, что, наряду с устройством однослойных наружных стен толщиной до 600 мм, приемлемый вариант для малоэтажного бескаркасного энергоэффективного строительства – устройство несущих двуслойных стен с сопротивлением теплопередаче R Т ≥ 3,2 м2×К/Вт без воздушной прослойки с использованием изделий из теплоэффективных ( r = (500–600) кг/м3) и теплоизолционных ( r < 400 кг/м3) пористых бетонов с различными принципами структурообразования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Опекунов, В. В. Пористые бетоны и области их применения / В. В. Опекунов [и др.] // Вестник БНТУ. – 2005. – Вып. 1. – С. 10–17.
2. Опекунов, В. В. Прочность, однородность и анизотропия свойств пористых бетонов / В. В. Опекунов // Строительные материалы. – 2006. – № 11. – С. 17–21.
3. Опекунов, В. В. Цементные перлитобетоны и их применение / В. В. Опекунов. – Киев: Академпериодика, 2004. – 45 с.
4. Вяжущие системы в производстве ячеистых бетонов: материалы Второго междунар. симпозиума «Проблемы современного бетона и железобетона. Технология бетона», Минск, 21–23 октября 2009 г. / В. В. Опекунов; редкол.: М. Ф. Марковский [и др.]. – Минск, 2009. – Ч. 2. – С. 329–342.
5. Материалы и изделия теплоизоляционные. Номенклатура показателей: СТБ 4.201-94.
[1] При описании конструктивного решения перекрытия обозначения классов бетона и арматуры приняты в соответствии с действующей на территории Украины главой СНиП 2.03.01 [2], в скобках приведены обозначения согласно СНБ 5.03.01 [3] и СТБ 1544 [4].
[2] Информация получена в отделе образования Брестского областного исполнительного комитета и КУП «ЖРЭУ» г. Бреста в ноябре 2010 года.
[3] Влажность 12 % была принята в качестве расчетной в [13].
[4] Согласно [4], при применении минераловатных плит на битумном связующем плотностью ниже 175 кг/м3 устраивается выравнивающая стяжка из цементно-песчаного раствора, армированная металлической сеткой с ячейкой 250х250 мм из проволоки диаметром 4 мм.
[5] Информация предоставлена РУСП «Стройтрест № 8», г. Брест, в ноябре 2010 года.