К.т.н. Сидоренко Ю.В., Стрелкин Е.В.

Самарский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

О структурообразовании неавтоклавных теплоизоляционных пенобетонов

В связи с повышением требований к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций зданий, установленных СНиП II-3-79^**, в настоящее время большое внимание уделяется созданию и применению эффективных утеплителей. К их числу относится, в частности, и неавтоклавный теплоизоляционный пенобетон, отличающийся долговечностью и эксплуатационной совместимостью с конструкционными материалами, экологической и пожарной безопасностью, относительно простой технологией производства и распространенностью сырья (чаще всего – местного). Применение теплоизоляционного пенобетона сейчас особенно востребовано в малоэтажном (коттеджи, “теплые” гаражи) и сельском строительстве. Также возможно его использование для устройства межкомнатных перегородок, наружных стен (с привлечением керамического кирпича, сайдинга и кругляка (бревна)), чердачных перекрытий и т.д.

Однако часто производимый легкий пенобетон (марок D500 и ниже) характеризуется низким уровнем стабильности основных характеристик. Водная составляющая, содержащаяся в цементном тесте, и вода в пене существенно влияют на формирование структуры материала, особенно пенобетона низкой плотности. Именно для таких “легких” смесей актуальны вопросы нестабильности, расслоения фаз при укладке их в формы (в то же самое время получение конструкционно-теплоизоляционных пенобетонов (марка D600 и выше) не вызывает возникновения существенных технологических трудностей). Очевидно, что на сегодняшний день совершенствованием только технологического процесса не решить проблему стабильности параметров качества пенобетона. В частности, в научных разработках специалистов все еще остаются открытыми вопросы, затрагивающие теоретическое обоснование механизма потери устойчивости легких пенобетонных смесей с учетом гидродинамических факторов. Это связано с трудностью освоения многокомпонентных неустойчивых систем, к которым относятся данные композиции. Данные факты свидетельствуют об отставании научно-исследовательской деятельности в области создания и развития эффективных технологий производства пенобетона, а также разработки теоретических предложений по повышению устойчивости “легких” пенобетонных смесей.

Таким образом, разработка мероприятий по управлению процессами структурообразования неавтоклавных теплоизоляционных пенобетонов, оптимизации технологии их производства, а также предложений для решения проблемы расслоения “легких” пенобетонных смесей приобретают в настоящее время особую значимость и актуальность, способствуя созданию качественного материала на основе цементного вяжущего.

В плане научных исследований выполнено следующее.

Проведен анализ литературных данных:

- в области производства и формирования структуры легких неавтоклавных пенобетонов (труды А.П. Меркина, М.Я. Кривицкого, А.А. Ахундова, И.Б. Удачкина, В.И. Соломатова, П.Г. Комохова, Л.В. Моргун, Ю.Д. Чистова и др. исследователей);

- по влиянию характеристик сырьевых компонентов и основных технологических факторов на качество получаемого пенобетона и его макроструктуру. Установлена недостаточная проработанность вопроса в плане повышения стабильности легкой пенобетонной смеси.

Определено, что параметры качества пенобетона зависят от стабильности свойств пенообразователя, вяжущего, тонкодисперсных наполнителей, технологических факторов, в том числе - технологии приготовления и условий твердения изделий.

В соответствии с технологией изготовления пенобетонов можно выделить следующие стадии, которые существенно отличаются составом взаимодействующих фаз: подготовка пены в смесителе; режим пенобетоноприготовления; режим транспортировки пенобетонной смеси; заливка смеси в форму; режим формообразования (так называемый индукционный период, представляющий важное значение для формирования структуры в “легких” пенобетонных смесях) [1].

Потерю устойчивости легкого пенобетона можно рассматривать как на микроуровне, т.е. отдельной межпоровой перемычке, так и на макроуровне – по отношению к выделенному единичному объему. Решение второй задачи позволило бы, на наш взгляд, определить количественную теоретическую скорость расслоения пенобетонной смеси и выявить влияние на нее различных факторов.

Наш анализ влияния гидродинамических факторов на процесс устойчивости смеси (в индукционном периоде) [1 - 3] указывает на малое количество работ в этой области.

Пенобетоны, изготовленные по литьевой технологии, имеют в своем составе слабосвязанную воду, и процесс ее перераспределения начинается после укладки смеси в форму (рис. 1). Она скапливается в нижней части воздушных включений, увеличивая обводненность тех частиц твердой фазы, которые находятся в прилегающей межпоровой перегородке. Когда концентрация слабосвязанной воды достигает некой критической величины, образуется бесконечный кластер по водной составляющей; вода под действием сил гравитации устремляется на поддон, пленки становятся тоньше, лопаются, и происходит расслоение: газовая фаза устремляется вверх, твердые частицы – вниз, на поддон формы, что приводит в конечном итоге к расслоению и осадке пенобетонной смеси. Очевидно, что на процесс заполнения бесконечного кластера водой влияет высота столба пены. Таким образом, начало истечения жидкости - это спонтанный (перколяционный) процесс. Зависимость времени начала истечения жидкости от высоты столба пены можно спрогнозировать так, как представлено на рис.2 (здесь h_c – порог перколяции; h_o – высота столба пены, выше которого процесс истечения жидкости не зависит от h).

Рис. 1. Схема потери устойчивости “легкой” пенобетонной смеси.

Рис. 2. Перколяционные явления при истечении жидкой фазы

в “легкой” пенобетонной смеси.

Истечение свободной жидкости по бесконечному кластеру (рис.1) приводит к утонению перемычек и образования фронта разрушения газового пузыря. Практически необходимо стремиться к тому, чтобы величина h_c была больше по времени (столб пены устойчив). Для обеспечения устойчивости пен необходимо достижение кинетической устойчивости внутри пенной матрицы за счет сродства частиц твердой фазы и пены. Это достигается созданием условий для взаимного притяжения пузырьков воздуха и частиц твердой фазы, благодаря действию электростатических взаимодействий. Рекомендуется домалывать цемент и песок (а также использовать мелкодисперсные пески), применяемые для изготовления неавтоклавных теплоизоляционных пенобетонных изделий, вводить в смесь тонкодисперсные наполнители - “минерализаторы” (карбонатсодержащие отходы).

Существенное влияние на усадку смеси также оказывает В/Т. При его снижении практически весь объем жидкой фазы сравнительно равномерно заполняется твердыми частичками, и отсутствуют объемы жидкой фазы без присутствия твердой. Напротив, при увеличении В/Т упаковка твердых частичек в объеме жидкой фазы уже не в состоянии “забронировать” весь свободный объем межпленочной жидкости. В результате уменьшается устойчивость воздушных пузырьков и происходит усадка смеси.

В целом процессы в трехфазных системах (пенобетонах) существенно отличаются от классических двухфазных твердо-жидкостных систем: оценкой межфазных взаимодействий по границам фаз; взаимодействием твердой и газовой фаз, приводящим как к дроблению газовой фазы, так и к ее минерализации и упрочнению; стесненностью фаз; влиянием поверхностных факторов; существенным влиянием гидродинамических полей на формирование структуры капиллярно-пористого композита и т.д. Учитывая это, предлагаем рассматривать двухфазную модель, состоящую из:

- несущей фазы (смеси, состоящей из свободной жидкости и твердой фазы (частиц));

- газотвердожидкостной фазы (пузырьковой минерализованной фазы).

Действительно, при формировании структуры легкого пенобетона газовая фаза является тем каркасом, на котором концентрируется твердая фаза. Твердая фаза, кроме того, удерживается в области газовой поры связанной водой. Так образуется комбинированный кластер из газовой поры (пузыря), твердых частиц и связанной воды. Подобные кластеры и образуют пористую систему, по каналам Плато которой и будет стекать свободная вода. Присоединение твердых частиц к кластеру будет определяться балансом Ван-дер-ваальсовой, электростатической, расклинивающей составляющими межчастичного взаимодействия, кинетической энергией присоединенной частицы. При значительной кинетической энергии отдельная частица может разрушить кластер или под действием свободной воды покинуть его зону. Частицы, не вошедшие в такие кластеры, будут утолщать перемычку, т.е. тем самым способствуют увеличению плотности пенобетона или кольматированию пор. Правомерность нашего перехода к двухфазной системе находит подтверждение, например, в работах В.Н. Феклистова [4].

В целом, решение вопросов о формировании макроструктуры легкого пенобетона требует более глубокого анализа ее зависимости от технологических факторов и более тонкого соблюдения режимов приготовления пенобетонной смеси, состава и свойств исходных компонентов. Планируется продолжить развитие выбранного научного направления в рамках дальнейшей работы.

Литература:

1. Сидоренко Ю.В. О подходах к задаче математического моделирования процессов структурообразования пенобетонов. // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы 5-й Международной научно-практической конференции.- Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ (НПИ), 2005. – Ч.1.- С. 33 - 39.

2. Сидоренко Ю.В., Стрелкин Е.В. К вопросу о теоретических основах структурообразования пенобетонов с учетом влияния гидродинамических и поверхностных процессов. // Матерiали II Мiжнародноi науково-практичноi конференцii “Науковий потенцiал свiту-2005”. Том 10.– Днiпропетровьск: Наука i освiта. – Украiна. – 2005.- С. 21 - 26.

3. Сидоренко Ю.В., Стрелкин Е.В. About the role of hydrodynamical factors, influencing the gas phase of foam concretes. // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы 5-й Международной научно-практической конференции.- Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ (НПИ), 2005. – Ч.1.- С. 47 – 49.

4. Феклистов В.Н. К оценке формирования пенобетонной структуры различной плотности. // Строительные материалы. – 2002.- №10.- С.16.