employee from 01.01.2007 until now
Russian Federation
Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University
Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
OKSO 08.04.01 Строительство
The dynamically developing construction of the Russian Federation makes it necessary to expand the range of alternative types of binders and materials based on them. Such binders include a composite gypsum binder used for the production of materials for various functional purposes. The manufacture and use of products based on composite gypsum binders is made possible by studying the Portland cement – gypsum – water system, the stability of which is ensured by introducing of an appropriate amount of active mineral additives. Such additives reduce the concentration of Са (ОН) 2 in the liquid phase of the hardening system and create the possibility of hardening under certain conditions without dangerous internal tensions. This article discusses the obtaining of effective cellular concrete on a composite gypsum binder. Cellular concrete surpasses some traditional materials in its structure, properties, methods of preparation, and they are universal in terms of operational properties. The possibility and expediency of using thin-ground concrete scrap as a mineral additive in the composition of composite gypsum binder for cellular concrete is established in the work. Thermal insulation and structural cellular concrete of D600 and D700 grades are obtained. It is revealed that the stepwise loading of the components of the concrete mixture with the initial introduction of a gypsum binder is rational.
cellular concrete, composite gypsum binder (CGB), porisation, microstructure
Введение. Опыт применения изделий из ячеистых бетонов в строительстве показал, что они могут успешно конкурировать с большинством традиционных стеновых материалов, сочетающих в себе высокие теплоизоляционные и конструктивные свойства, позволяют снижать толщину стены и массу конструкции. Для развития технологии ячеистых бетонов в современных условиях необходимо расширение номенклатуры технологически, экономически и экологически эффективных разновидностей вяжущих нового поколения, обеспечивающих получение высококачественных изделий [1–7].
Перспективными для этих целей являются пенобетоны на основе быстротвердеющих композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) повышенной водостойкости с активными минеральными добавками разного генезиса [8, 9]. По сравнению с другими широко применяемыми в настоящее время вяжущими они находятся в более предпочтительном положении, так как соответствуют всем современным требованиям с позиции развития строительных тенденций. Это можно объяснить: повсеместным наличием природного гипсового сырья и гипсосодержащих отходов, простотой и экологичностью их переработки в гипсовые вяжущие (ГВ) и строительные материалы на их основе с более низкими расходами топлива и энергии (например, в 4 и 5 раз ниже, чем при производстве цемента), простотой оборудования на производстве и др. Гипс не токсичен по своему химическому составу, а, следовательно, при переработке он не выделяет в окружающую среду CO2 и другие вредные вещества [10].
В связи с вышеизложенным, целью данной работы является подбор состава, разработка технологии приготовления пенобетонной смеси на основе КГВ, исследование структуры и свойств затвердевшего материала.
Методология. В работе для получения пенобетона (ПБ) на основе КГВ использовали следующие материалы: гипсовое вяжущее (ГВ) α-модификации ГВВС-16 (Г-16) ЗАО «Самарский гипсовый комбинат», портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ПАО «Мордовцемент» (ПЦ)и тонкодисперсные минеральные добавки (МД) из техногенного сырья:
- бетонный лом (БЛ) разрушенных зданий и сооружений, обладающий заметными вторичными вяжущими свойствами с наличием гидросиликатов кальция C2SH2, Ca(OH)2 и непрогидратированных клинкерных минералов (в основном белита);
- отсев дробления кварцитопесчаника зеленосланцевой степени метаморфизма Лебединского ГОКа (КВП). Его породообразующим минералом является кварц – среднее содержание 86,24 %, остальные минеральные компоненты представлены мусковитом, биотитом, альбитом, калиевым полевым шпатом, содержание которых может достигать 10...20 %. Химический состав применяемых минеральных добавок представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав минеральных добавок
|
Материал |
SiO2 |
Al2O3 |
Feоб |
CaO |
MgO |
SO3 |
Na2O+ K2O |
TiO2 |
ClO2 |
MnO2 |
ппп |
|
Кварцитопесчаник |
94,32 |
2,61 |
0,81 |
0,46 |
0,66 |
– |
0,22+0,65 |
0,16 |
– |
– |
0,65 |
|
Бетонный лом |
52,4 |
4,9 |
3,7 |
34,7 |
1,2 |
0,5 |
0.51+1,5 |
0,19 |
0,27 |
0,087 |
- |
В качестве синтетического пенообразователя для ПБ в соответствии с ТУ 2481-008-80824910-2012 применяли добавку «ПБ-Формула 2012» – синергетическую смесь анионактивных ПАВ со стабилизирующими и функциональными добавками, представляющую собой однородную жидкость светло-желтого цвета, плотностью в пределах 1000–1150 кг/м3 (при 20 ºС), pH=7,5–11, кратностью пены рабочего раствора с объемной долей продукта 4 % – не менее 8,0, устойчивостью пены в технологической среде (усадкой от первоначального объема) – менее 5 %.
Основные физико-механические показатели сырьевых и синтезированных материалов определялись в соответствии со стандартными методиками. Исследование фазового состава и структурных характеристик осуществлялось с помощью РФА и РЭМ TeskanMIRA 3.
Основная часть. Для приготовления КГВ в вибрационной мельнице предварительно производили помол МД до удельной поверхности 500–550 м2/кг с последующим смешиванием с ПЦ, совмещенным с кратковременным домолом, в результате которого происходит деструкция кремнеземистого компонента и образуется нарушенный микрослой с ограниченным количеством аморфной фазы SiO2, способствующий связыванию Са(ОН)2, выделяющемуся при гидратации алита. Снижается основность твердеющей системы с устранением условий роста высокоосновных гидроалюминатов кальция, эттрингита и образованием низкоосновных малорастворимых гидросиликатов кальция, а также происходит уплотнение микроструктуры со значительным повышением прочности и водостойкости материала.
На основе результатов определения активности МД было установлено, что их рациональное количество в составе вяжущего (при отношении МД/ПЦ=1:1) способствует стабильности его свойств и снижению концентрации СаО в водной суспензии вяжущего до требуемых пределов (согласно ТУ 21-31-62-89). Свойства КГВ представлены в таблице 2.
Таблица 2
Состав и свойства КГВ
|
№ |
ГВ |
ПЦ |
БЛ |
КВП |
В/Вяж |
Расплыв, мм |
Rсж, Мпа |
||
|
2 часа |
7 сут. |
28 сут. |
|||||||
|
1 |
60 |
20 |
20 |
– |
0,42 |
110 |
9,1 |
12,6 |
15,7 |
|
2 |
60 |
20 |
– |
20 |
0,42 |
120 |
6,2 |
11,9 |
14,8 |
Установлено, что тонкодисперсный БЛ более эффективен в качестве МД по сравнению с КВП. Наличие в составе БЛ негидратированного портландцемента и тонкодисперсных частиц, выступающих в качестве зародышей и центров кристаллизации в процессе структурообразования, а также играющих роль микровключений в матричном материале, способствует созданию достаточно прочной микроструктуры затвердевшего КГВ.
Подтверждением стабильности сформировавшейся структуры КГВ с минеральной добавкой БЛ являются результаты РФА и РЭМ в возрасте 2 час, 7 и 28 суток (рис.1). В исследованных пробах в качестве продуктов гидратации присутствуют: двуводный сульфат кальция (d=7,64; 4,29; 3,81; 3,071; 2,879; 2,686…Å); частично закристаллизованный тоберморитоподобный гидросиликат кальция (d=3,07; 2,79; 2,4; 2,1; 1,81…Å); следы гексагонального восьмиводногогидроалюмината кальция (d=10,1; 3,49; 2,87; 2,55…Å); кварц (d=3,35; 2,46; 2,22; 2,28; 2,133; 2,089…Å), портландит (d=4,93; 3,18; 2,63; 1,78…Å), следы эттрингита (d=5,61; 3,88; 2,57…Å).
Рис. 1. Фазовый состав КГВ с минеральной добавкой БЛ
Рис. 2. Микроструктура низкоосновных
гидросиликатов кальция на кристаллах гипса
Анализ микроструктуры исследуемых образцов показал (рис. 2, 3), что в композициях с БЛ образуются новообразования толщиной в 1–2 мкм, которые можно отнести с к С-S-Н- гелю, в основном имеющему переменный состав и аморфную природу. В его структуре также просматриваются слабо закристаллизованные области, обозначаемые как С-S-Н(I) и С-S-Н(II). Имеющиеся поры почти полностью зарастают мелкими кристаллами гидросиликатов кальция, приобретающих морфологию дендритоподобных образований и создающих уплотненную оболочку вокруг частиц гипса. За счет гидросиликатов такой морфологии затвердевшее КГВ упрочняется.
К 28 суткам оболочка гидросиликатов становится достаточно плотной, частицы объединяются в непрерывную мелкокристаллическую (≤0,1 mkm) структуру с упрочненными связями, предположительно гидросиликатов, гидроалюмосиликатов, гидроаллюмо-ферритов кальция и двуводного сульфата кальция, как результат твердения портландцемента и полуводного гипса.
Основным и самым значимым этапом производства пенобетонных изделий является их поризация [11–13]. В связи, с чем в лабораторных условиях были проведены испытания по взаимодействию каждого компонента пенобетонной смеси с пенообразователем «ПБ-Формула». Для этого с помощью миксера в течение одной минуты готовилась пеномасса из пенообразователя и воды, в которую добавляли с постоянным перемешиванием каждый из компонентов КГВ, готовую смесь заливали в формы размером 10×10×10 см, рассчитывая степень их заполнения и сравнивая объем полученных пеномасс. На основе полученных результатов для приготовления более устойчивой пенобетонной смеси в лабораторных условиях была предложена схема постадийной загрузки ее компонентов в смеситель.
Таблица 3
Взаимодействие компонентов композиционного гипсового вяжущего
с синтетическим пенообразователем «ПБ-Формула»
|
Наименование компонента |
В/В |
Количество пенообразователя «ПБ Формула», мл/кг |
Степень заполнения формы, см3 |
|
Гипс Г-16 |
0,5 |
2 |
>1000 |
|
Цемент ЦЕМ I |
0,5 |
2 |
950 |
|
Тонкодисперсный БЛ |
0,5 |
2 |
820 |
Чтобы пеномасса не потеряла свою форму в результате ввода в нее всех компонентов вяжущего, в первую очередь необходимо вводить ГВ, в результате гидратации, которого и последующей кристаллизации двуводного гипса, его схватывания, создается более однородная и устойчивая микроструктура пеногипсовой массы, стабильная при последующем вводе остальных компонентов вяжущего.
При перемешивании за счет вращения ротора пенобетоносмесителя и отражательных лопастей, закрепленных на его стенках, создаются мощные радиальные и тангенциальные потоки, которые приводит к дополнительной диспергации частиц и вовлечению воздуха в готовую смесь, а добавка «ПБ-Формула» их стабилизирует. То есть, одновременно протекают два процесса. Первый связан с захватом воздуха при перемешивании, с захлопыванием каверн в смеси при разрыве потока лопастями активатора и дальнейшей диспергации пузырьков при возникающих сдвиговых нагрузках в смеси за счет радиальных и тангенциальных потоков, а второй процесс – это захват и фиксация пузырьков воздуха твердыми частицами смеси.
Рис. 3. Микроструктура затвердевшего КГВ с минеральной добавкой БЛ:
а) через 2 час; б) через 7 сут; в) через 28 сут
Диаметр пор и толщина межпоровых перегородок в основном определяет прочностные и теплофизические свойства материала [14–16]. Для повышения этих показателей необходимо добиваться мелкопористой структуры с малодефектными и достаточно прочными межпоровыми перегородками.
Как показали результаты исследования, в разработанном составе ПБ размер пор находится в интервале от 0,05 до 0,6 мм при размере межпоровых перегородок 0,17…0,35 мм. На рисунке (4, а) отчетливо видно равномерное распределение пор меньшего диаметра между более крупными порами в пенобетонном образце с полидисперсной структурой. Установлено наличие «контактных дыр» и трещин, что, возможно, связано с неравномерным распределением пенообразователя и возникновению перепада давлений между соседними порами, что негативно сказывается на свойствах ПБ.
Микроструктура стенки межпоровой перегородки (рис. 4, б, в) к внешней стороне поры более плотная, а к внутренней - более рыхлая. На ее поверхности отчетливо видны сформированные кристаллы гипса, «игольчатые» кристаллы гидросиликатов кальция, просматриваются неровности и микропористость поверхности пор.
Таблица 4
Физико-механические характеристики пенобетона
|
№ |
Состав, % |
Степень заполн. формы, % |
В/Вяж |
Кол-во ПО, мл/кг |
λ, Вт/м·К |
ρ, кг/м3 |
Rсж (7 сут), МПа |
Rсж (28сут), МПа |
||
|
ГВ |
ПЦ |
БЛ |
||||||||
|
1 |
60 |
20 |
20 |
100 |
0,5 |
2 |
0,14 |
600 |
0,9 |
1,2 |
|
2 |
60 |
20 |
20 |
100 |
0,5 |
2 |
0,18 |
700 |
1,3 |
1,5 |
Рис. 4. Микроструктура поризованного гипсоцементного камня с минеральной добавкой
тонкодисперсного БЛ (а ) и межпоровой перегородки ПБ (б и в)
Выводы. Установлена возможность и целесообразность использования в качестве минеральной добавки в составе КГВ для пенобетона тонкодисперсных отходов бетонного лома.
На основе КГВ, включающего гипсовое вяжущее, портландцемент, тонкомолотый бетонный лом, пенообразователь «ПБ-Формула» получены теплоизоляционно-конструкционные пенобетоны марок D600 и D700, имеющие следующие характеристики: ρ=600 кг/м3, Rсж=1,2 МПа, λ=0,14 Вт/(м·К); ρ=700 кг/м3, Rсж=1,5 МПа, λ=0,18 Вт/(м·К).
По результатам сравнения объема полученных пеномасс выявлено, что гипсовое вяжущее создает более стойкую пену для дальнейшего ввода компонентов. Рациональной является постадийная загрузка компонентов бетонной смеси, с первоначальным вводом гипсового вяжущего. Предлагаемая технология получения теплоизоляционно-конструкционного пенобетона на основе КГВ оптимизирует структуру композита и улучшает строение межпоровых перегородок. Поры равномерно распределены, имеют размер от 0,05 до 0,6 мм и толщину межпоровой перегородки равной 0,25 от их радиуса.
Источник финансирования. РФФИ в соответствии с исследовательским проектом № 18-29-24113.
1. Serova R.F., Kasumov A.S., Velichko E.G. Problems of production and application of aerated concrete [Problemy proizvodstva i primeneniya yacheistogo betona]. Fundamental research. 2016. №7(2). Pp. 267-271. (rus)
2. Fatheali A Shilar, Mubarakali Shilar. Experimental study on partial replacement of cement with mineral admixtures and sand with quarry dust. International Journal of Advanced Science and Engineering. Vol. 5. No. 4. 2019. 1169-1173.
3. Elistratkin M.Y., Glagolev E.S., Absimetov M.V., Voronov V.V. Composite Binder for Structural Cellular Concrete, Materials Science Forum. 2019. Vol. 945. Pp.53-58. doihttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.53
4. Pospelova E.A., Elistratkin M.Yu.,Netsvet D.D. Statistical Analysis as an Instrument for Improving the quality of Products from Cellular Concrete, Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 670-671. Pp. 1624-1628.
5. Alfimova N.A., Pirieva S.Yu., Gudov D.V., Shurakov M.I., Korbut E.E. Optimization of prescription-technological parameters of production of cellular concrete mixture [Optimizaciya recepturno-tekhnologicheskih parametrov izgotovleniya yacheistobetonnoj smesi]. Construction materials and products. 2018. Vol. 1. No. 2. Pp. 30-36. (rus)
6. Ramamurthy K., Nambiar E.K.K., Ranjani G.I.S. A classification of studies on properties of foam concrete. Cement and Concrete Composites. Vol. 31. No. 6. 2009. Pp. 388-396.
7. Tan X., Chen W., Hao Y., Wang X. Experimental study of ultralight (<300 kg/m3 ) foamed concrete. Advances in Materials Science and Engineering. Volume 2014, Article ID 514759, 7 p. http://dx.doi.org/10.1155/2014/514759
8. Chernysheva N.V., Drebezgova M.Yu., Evsyukova A.S., Kuzmina T.S., Buryanov A.F. Composite gypsum binders for "green" construction [Kompozicionnye gipsovye vyazhuschie dlya "zelenogo" stroitel'stva]. Naukoemkie tehnologii i innovacii: sb. materialov mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. 2016. Pp. 443-449. (rus)
9. Chernysheva N.V., Lesovik V.S., Drebezgova M.Yu., Shatalova S.V., Alaskhanov A.H. Composite gypsum binders with silica-containing additives. International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems 2017, Material Science in Mechanical Engineering. 2018. 032015.
10. Chernysheva N.V., Shatalova S.V., Evsyukova A.S., Fisher Hanc-Bertram. Features of selection of the rational composition of the composite gypsum binder [Osobennosti podbora racional'nogo sostava kompozicionnogo gipsovogo vyazhuschego]. Construction Materials and Products. 2018. Vol. 1. No. 2. Pp. 45-52. (rus)
11. Farnaz B., Bindiganavile V. Air-void size distribution of cement based foam and its effect on thermal conductivity. Construction and Building Materials. Vol. 149. 2017. Pp. 17-28.
12. Kozhukhova N.I., Danakin D.N., Kozhukhova M.I., Alfimova N.I. Chepurnykh A. A. pH-indicator of the medium as a factor in the formation of the pore structure of foam concrete [pH-pokazatel' sredy kak faktor formirovaniya porovoy struktury pen]. Bulletin of BSTU named after V. G. Shukhov. 2018. Vol. 8. Pp. 101-108. (rus)
13. Anikanova T.V., Pogromsky A.S. The use of semi-aquatic calcium sulfate to intensify the processes of hardening of structural heat-insulating foamed concrete [Primenenie poluvodnogo sul'fata kal'ciya dlya intensifikacii processov tverdeniya konstrukcionno-teploizolyacionnogo penobetona]. Construction Materials and Products. 2018. Vol. 1. No. 3. Pp. 25-32. (rus)
14. Shakhova L.D., Khrebtov A.E., Chernositova E.S. A method of producing a heat-insulating cellular concrete (versions). Patent RF. №2004112123/03, 2005.
15. Lesovik V.S., Strokova V.V., Cherevatova A.V., Pavlenko N.V. Mix for foam concrete on the basis of the nanostructured knitting (options), a way of production of products from foam concrete (options). Patent RF, No. 2412136, 2011.
16. Krylov B.A., Kirichenko V.V. Energy-efficient production technology of foam concrete products [Energoeffektivnaya tehnologiya proizvodstva penobetonnyh izdeliy]. Concrete technology. 2013. Vol. 12 (89) Pp. 47-49. (rus)
