Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

канд. техн. наук, проф. Сулейманова Л.А.

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

Высокопоризованный материал на композиционных вяжущих для энергоэффективного строительства

Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года предусматривает повышение доступности энергоэффективного жилья гражданам РФ за счет развития строительного комплекса и производства строительных материалов, изделий и конструкций с применением инновационных, в том числе энергосберегающих технологий.

Улучшение энергоэффективности зданий в настоящее время относят к самым важным задачам по сохранению окружающей среды, а также снижению энергопотребления. В связи с этим усиливается тенденция заблаговременной оптимизации энергорасходов при проектировании энергосберегающих поризованных материалов и строительстве зданий на их основе [1, 2, 3]. При этом, несмотря на то, что автоклавная технология поризованных материалов лучше освоена и обеспечивает получение долговечных ячеистых бетонов, целесообразнее ее использовать на крупных предприятиях. Тогда как на современном этапе развития малого и среднего бизнеса более востребованной является технология неавтоклавного ячеистого бетона, преимуществами которой является малая фондоэнергоемкость, экологическая чистота производства, меньшая себестоимость при стабильном качестве изделий.

Решение вопроса энергоэффективности зданий возможно с применением высокопоризованных материалов, полученных с использованием композиционных вяжущих (КВ) и газобетонных смесей на их основе с заданной эффективной вязкостью, применение которых обеспечит возведение ограждающих конструкций с оптимальными технико-экономическими показателями.

Для получения энергоэффективных ячеистых бетонов применяли разработанные композиционные вяжущие на основе клинкера (с добавлением 5 % гипса) и портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108–2003 производства ЗАО «Белгородский цемент».

Повышение эффективности процесса помола достигалось совершенствованием помольных агрегатов (центробежный помольный агрегат с параллельными помольными блоками (ЦА ППБ)), применением различных добавок-интенсификаторов, рациональным подбором составов КВ. Установлена целесообразность замены клинкера в композиционном вяжущем до 30 % наполнителем (отсевы дробления перлита Мухор-Талинского месторождения, брянского трепела и опоки Коркинского месторождения), что позволяет осуществить экономию клинкерной составляющей без значительного изменения активности вяжущего.

Анализ кинетических констант помола КВ (табл. 1, рис. 1), измельченных в ЦА ППБ, позволил определить оптимальное время помола каждого вида композиционного вяжущего для достижения рациональной удельной поверхности – 500…550 м²/кг. Выявлено, что наилучшей размолоспособностью обладает вяжущее на основе клинкера с добавлением перлита, имеющего наименьший коэффициент торможения k_t = 0,0008 кг/м².

Таблица 1

Кинетические константы помола композиционных вяжущих

Состав вяжущих	Начальная скорость (U0), м^2/(кг×мин)	Коэффициент торможения (kt), кг/м^2	Коэффициент корреляции (kkor)
ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт СП-1 + перлит	10,72	0,0012	0,9944
ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт СП-1 + опока	13,26	0,0018	0,9955
ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт СП-1 + трепел	3,99	0,0015	0,8204
Клинкер + гипс + Полипласт СП-1 + перлит	10,1	0,0008	0,9537
Клинкер + гипс + Полипласт СП-1 + опока	13,26	0,0012	0,9955
Клинкер + гипс + Полипласт СП-1 + трепел	18,79	0,002	0,9948

Рис. 1. Зависимость прироста удельной поверхности

композиционных вяжущих от времени помола:

Анализ гранулометрии полученных вяжущих показал, что КВ на основе клинкера с суперпластификатором имеет повышенное содержание мелкодисперсных частиц с выраженным максимумом в интервале 5…13 мкм по сравнению с вяжущими, полученными при помоле цемента (рис. 2).

При этом вяжущие на основе клинкера имеют большое содержание мельчайших частиц в диапазоне 0,66…1,81 мкм. Введение минеральных наполнителей при помоле вяжущих на основе клинкера смещает графики в область более мелких частиц. При этом кривые имеют несколько ярко выраженных пиков по сравнению с кривой портландцемента. Стоит отметить, что кривая вяжущего с перлитом имеет большое содержание мелких частиц в диапазоне 0,66…1,81 мкм, что обеспечивает более высокую реакционную способность, особенно в ранние сроки твердения.

Рис. 2. Распределение частиц композиционного вяжущего по размерам:

Реологические характеристики разработанных вяжущих показали более быстрое начало гидратации составов на клинкерной основе, что в дальнейшем и повлияло на активность вяжущего. Предложенные составы КВ позволяют получать растворы с заданной эффективной вязкостью, способствующей предотвратить прорывание газовых пор.

Результаты РФА (рис. 3) свидетельствуют, что в начальные сроки (1, 3 сут) твердения более интенсивно гидратирует КВ с добавкой трепела, хотя прочность его в трехсуточном возрасте более чем в 2 раза ниже, чем вяжущих с остальными добавками. Этот факт свидетельствует, что интенсивность гидратации на начальном этапе не всегда определяет прочность цементного камня. Чрезмерно высокая скорость процесса может привести к формированию крупноблочной структуры низкой прочности, что, возможно, и наблюдается в данном случае.

1 сут	100 %	92 %	77 %	102 %
3 сут	100 %	76 %	69 %	71 %
7 сут	100 %	71 %	74 %	58 %
28 сут	100 %	61 %	53 %	52 %
	ЦЕМ I 42,5 Н	КВ с трепелом	КВ с опокой	КВ с перлитом

Рис. 3. Интенсивность отражений алита и белита (2,76Å и 2,78Å) в зависимости от вида кремнеземсодержащей добавки в вяжущем

К 3 и 28 сут твердения гидратация КВ с опокой и перлитом выше интенсивности этого процесса в трепелсодержащем композиционном вяжущем. Наибольшие изменения между отражениями заметны на 28 сут твердения, где высота дифракционных максимумов алита и белита у КВ с опокой и перлитом на 13 % и 15 % ниже соответственно, чем с трепелом. Эти результаты согласуются с прочностными данными КВ (табл. 2) в эти же сроки твердения, которые свидетельствуют, что максимальная разница между прочностью цементного камня с соответствующими добавками равна 56 % и 72 %.

Образец в 28 сут твердения с добавкой перлита показал и лучшее усвоение аморфной составляющей с наиболее полной гидратацией клинкерных минералов. При введении опоки заметное снижение интенсивности отражений 2,76Å и 2,78Å началось в возрасте 1 сут твердения, хотя по кинетике гидратации клинкерных минералов она проявила себя достаточно близкой к составу с содержанием трепела. Содержащаяся в опоке аморфная составляющая способствовала, по сравнению с другими добавками в 3 и 7 сут твердения образцов, более активному образованию гидросиликатов кальция. Это позволило через 28 сут твердения получить образцы с оптимальной структурой вследствие более сбалансированного соотношения кремнезема, клинкерных минералов и гидросиликатов кальция, которые способствовали максимально возможному заполнению дефектов крупных кристаллов. Состав с добавкой трепела по кинетике гидратации клинкерных минералов проявил себя достаточно близко к составу с содержанием опоки, что отмечалось по отражениям дифракционных максимумов 2,76Å и 2,78Å. Трепел по минералогическому составу содержит максимальное количество аморфной составляющей. Однако данная составляющая не проявляла активности и в значительной степени осталась в исходном состоянии. Это не позволило создать плотную структуру цементного камня, а прочностные характеристики показали наименьшие значения, хотя гидратация клинкерных минералов происходила достаточно активно.

Разработка оптимальных составов неавтоклавных газобетонов на композиционных вяжущих и исследование влияния отдельных компонентов на технологические и физико-механические свойства бетонов производились с использованием метода математического планирования эксперимента (табл. 3).

Таблица 3

Условия планирования эксперимента

Фактор		Уровень варьирования
натуральный вид	кодированный вид	– 1	0	+1
В/Т	Х1	0,5	0,6	0,7
Известь, % от массы вяжущего	Х2	2	4	6
Аl паста, % от массы вяжущего	Х3	0,5	0,6	0,7
Вид наполнителя	Х4	Опока	Перлит	Трепел

Факторы, не вошедшие в план эксперимента, приняты постоянными.

В результате статистической обработки данных выявлены оптимальные дозировки компонентов и получены математические модели характеристик неавтоклавного газобетона на основе композиционных вяжущих от технологических параметров для управления процессом производства газобетонов:

ρ_ср = 293,02 – 148,32×Х₁ − 161,57×Х₂ –195,21×Х₃ + 39,25×Х₄ + 45,98×Х₁² + 105,98×Х₂² + 81,48×Х₃² + 95,98×Х₄² + 18,88×Х₁×Х₂ + 35,38×Х₁×Х₃ – 35,13·Х₁×Х₄ + + 96,75×Х₂×Х₃ + 13,5·Х₂×Х₄ + 14,5· Х₃×Х₄

R_сж = 1,45 – 1,20×Х₁ − 1,01×Х₂ – 1,16×Х₃ + 0,26×Х₄ + 0,2×Х₁² + 0,58×Х₂² + 0,4×Х₃² + + 0,13×Х₄² + 0,13×Х₁×Х₂ + 0,28×Х₁×Х₃ – 0,21·Х₁×Х₄ + 0,59×Х₂×Х₃ + 0,11· Х₂×Х₄ + 0,03· Х₃×Х₄,

анализ которых представлен на рис. 4.

В результате анализа экспериментальных данных был предложен оптимальный состав неавтоклавного газобетона на основе композиционного вяжущего, содержащего клинкерную составляющую + гипс – 70 %, перлит – 30 %, суперпластификатор – 1 % , известь до 2 % и алюминиевую пасту – 0,6 % от массы вяжущего.

Рис. 4. Номограммы средней плотности и прочности на сжатие газобетона от В/Т, количества извести, алюминиевой пасты и вида наполнителя:

1 – В/Т = 0,5, вид наполнителя – опока; 2 – В/Т = 0,6, вид наполнителя – перлит;

3 – В/Т = 0,7, вид наполнителя – трепел

Таким образом, разработаны принципы управления процессами изготовления высокопоризованных материалов на композиционном вяжущем неавтоклавного твердения с маркой по средней плотности D500, прочностью на сжатие до 3 МПа (В2), маркой по морозостойкости F35, коэффициентом теплопроводности λ = 0,119 Вт/(м∙°С) с улучшенной макроструктурой и с возможностью его применения в качестве конструкционно-теплоизоляционных ограждающих конструкций для энергосберегающего строительства.

Литература:

1. Лесовик, В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: Научное издание [Текст] / В.С. Лесовик. – М.: Изд-во АСВ, 2006. – 526 с.

2. Гридчин, А.М. Новые технологии высокопоризованных бетонов [Текст] / А.М. Гридчин, В.С. Лесовик, Д. И. Гладков, Л. А. Сулейманова // Поробетон 2005: Сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. – Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. – С. 6 –16.

3. Сулейманова, Л.А. Ресурсосберегающие материалы в строительстве [Текст] /Л.А. Сулейманова, И.А. Ерохина, А.Г. Сулейманов // Известия ВУЗов. Строительство. - 2007. – № 7. – С. 113–116.