Введение. Газобетон, как строительный материал, обрел широкое применение в современной индустрии строительства благодаря своим уникальным свойствам, таким как низкая плотность, высокая теплоизоляционная способность и прочность [1-4]. Однако, эффективное использование газобетонных материалов в производстве и строительстве тесно связано с пониманием и оптимизацией их энергетического потенциала.Энергетический потенциал газобетонных смесей определяется множеством факторов, включая состав смесей, теплоемкость компонентов и характеристики производственных процессов [5-8]. Энергетический потенциал имеет решающее значение для разработки эффективных технологий производства и оптимизации энергозатрат [9-12].Энергетический потенциал газобетонной смеси определяется преимущественно составом смеси [13-16]. На каждом отдельно взятом современном заводе автоклавного газобетона в процессе производства изделий изменяются характеристики сырья, корректируется состав смеси и варьируются технологические параметры. Объективно меняющиеся параметры требуют оперативного управления технологическим процессом.Материалы и методы. Анализ технологии производства и используемых рецептур на ряде предприятий таких, как завод ЗАО «Аэробел» (г. Белгород, Россия), ЗАО «Могилевский КСИ»(г. Могилев, Республика Беларусь), «Сертоловский Газобетонный Завод (СГЗ)» ООО «ЛСР. Стеновые»(г. Сертолов, Ленинградская обл., Россия) и других предопределил назначение номинальных составов, анализ которых позволил определить количество твердой фазы (без учета алюминиевой пасты и гипса) и газовой фазы во вспученном массиве (рис. 1). Твердая и газовая фазы номинальных составов газобетона отражают реальное количество компонентов в смеси для производимых газобетонных изделий с марками по средней плотности D400, D500 и D600, а также тенденцию продвижения по составам при изготовлении газобетона с маркой по средней плотности до D100. Основные компоненты в газобетонной смеси представлены известью, цементом, песком и водой. Гипс и алюминиевый газообразователь из-за малого количества не учитывали. Для строительной извести активность установлена равной 85 %. Содержание активного алюминия в пасте газообразователя принято 75 %.  Рис. 1. Твердая и газовая фазы газобетона:   – твердая фаза;   – газовая фаза  Реальный вид и состав материалов, используемых при приготовлении газобетонных смесей в производственных условиях, зависит от принятой заводом технологии. Так на заводе ЗАО «Аэробел» (г. Белгород, Россия) в смеситель дозируют песчаный шлам, получаемый мокрым помолом песка с водой. Далее дозируют обратный шлам, получаемый распульпацией обрезков газобетонного массива после камер предварительного твердения. На смешение в сухом виде подают цемент, известково-кремнеземистое вяжущее и полуводный гипс. Количество известково-кремнеземистого вяжущего определяет активность смеси по оксиду кальция. Температуру смеси регулируют соотношением подаваемой на замес горячей и холодной воды. За минуту до завершения перемешивания в смеситель дозируют алюминиевую суспензию. Вода является наиболее энергоемким компонентом в газобетонной смеси. На ее долю приходится от 69,2 до 81,6 % энергии, необходимой для нагрева смеси, что указывает на преимущество ударной технологии в энергетическом плане. В ООО «ЛСР. Стеновые» (г. Сертолов, Ленинградская обл., Россия) используют порошкообразную известь. Двуводный гипс вводится при приготовлении песчаного шлама. Однако по номинальному составу смеси в ООО «ЛСР. Стеновые» соответствовали составу смеси в ЗАО «Аэробел» (г. Белгород, Россия). Показатели состава номинальных газобетонных смесей приведены в табл. 1.Таблица 1Показатели состава номинальных газобетонных смесейПоказательЕд. изм.Марка по средней плотностиD100D200D300D400D500D600Активность%13,4211,1810,4410,209,048,27Содержание СаОкг/м310,8418,0625,2932,5136,1339,74Содержание активного алюминиякг/м30,760,680,620,580,530,48Водотвердое отношение, В/Т–0,840,680,600,510,450,41 Теплофизические характеристики компонентов газобетонной смеси приведены в табл. 2.Таблица 2Удельная теплоемкость и плотность компонентов газобетонной смесиКомпонентПлотность, кг/м3Удельная теплоемкость  при 25°С, С°р  298 Дж/(кг·град)СаСОз2710818,7Са(ОН)222301181,5СаО3320763,7SiO22650740,0CaSO4·0,5H2O2720823,2CaSO4·2Н2О23201081,1Цемент3150838,0Al2700903,3Н2Ож9974181,5Н2Ог**0,0231864,5Воздух*1,2921005,0Н2г*0,0914282,7Fe7850447,5Примечание: * – при 0 °С; ** – при 100 °С.Основная часть. Теплоемкость газобетонных смесей определяли по правилу аддитивности, исходя из массового содержания компонентов в смеси, по формуле (1):с=cumu+cцmц+cnmn+cвmвmu+mц+mn+mв      (1)где си, сц, сп, св, – удельные теплоемкости соответственно извести, цемента, кварцевого песка и воды, Дж/(кг·°С); ти, тц, тп, тв – массовое содержание извести, цемента, кварцевого песка и воды в 1 м3 газобетонной смеси, кг. Объемная доля газа в смеси от 50 до 90 %, при этом массовое количество незначительно и не влияет на теплоемкость газобетонной смеси.Объемная теплоемкость газобетонных смесей и теплоемкость составляющих смесь компонентов приведены в табл. 3.Таблица 3Объемная теплоемкость газобетонных смесейНаименованиеОбъемная теплоемкость, кДж/(м3·°С) для марки по средней плотностиD100D200D300D400D500D600Газобетонная смесь409,7693,3930,71083,21236,81390,5Вода смеси334,5*81,6543,6*78,4710,9*76,4794,5*73,3878,1*71,0961,8*69,2Твердая фаза смеси75,218,4149,721,6219,823,6288,726,7358,729,0428,730,8Известь11,619,327,034,738,642,5Цемент37,771,275,483,879,675,4Песок25,959,2118,4170,2240,5310,8Примечание: * – % в газобетонной смеси. Значения удельных теплоемкостей, а также величины других характеристик газобетонных смесей с марками по средней плотности от D100 до D600 приведены в табл. 4. Таблица 4Характеристики газобетонных смесейПоказательЕд. изм.Марка по средней плотностиD100D200D300D400D500D600Средняя плотностькг/м3175320455565680795Газовая пористость%88,580,072,067,061,555,5Удельная теплоемкостьДж/(кг·°С)234121672046191718191749ТеплопроводностьВт/(м·°С)0,250,300,330,360,390,42 Значения удельной и объемной теплоемкостей газобетонных смесей связаны соотношением: С = с · ρ  (2)где c – удельная теплоемкость газобетонной смеси, кДж/(кг∙°С), ρ – средняя плотность газобетонной смеси, кг/м3. Величины удельной и объемной теплоемкостей газобетонных смесей приведены в табл. 5. Таблица 5Величины удельной и объемной теплоемкостей газобетонных смесей ПоказательЕд. изм.Марка по средней плотностиD100D200D300D400D500D600Средняя плотностькг/м3175320455565680795Удельная теплоемкостьДж/(кг·°С)234121672046191718191749Объемная теплоемкостькДж/(м3·°С)409,7693,3930,71083,21236,81390,5 Полученные результаты по теплофизическим характеристикам газобетонных смесей позволяют дать оценку энергетического потенциала смесей за счет экзотермии реакции гидратообразования.Исследования системы СaO - Al2O3 - H2O согласуются с известными представлениями и свидетельствуют о том, что первой экзотермической реакцией в смеси автоклавного газобетона является взаимодействие металлического алюминия и гидроксида кальция с образованием шестиводного гидроалюмината кальция и газообразного водорода:2Al +3Са(ОН)2 +6Н20= 3СаО-Al2О3∙ 6Н20+3Н2↑  (3)В гидратирующихся системах теплоту гидратации приравнивают к изменению энтальпии реакции ΔН0  в адиабатическом процессе. Энтальпия реакции (3) составляет ΔН0=-  879,14 кДж/моль или 16280 кДж тепла на 1 кг активного алюминия в смеси.Второй экзотермической реакцией является гидратация извести: CaO + H2O =Ca(OH)2   (4)Энтальпия данной реакции равна ΔН0=-  63,7 кДж/моль или 1136 кДж на 1 кг активного СаО в газобетонной смеси.Третьим процессом, определяющим энергетический потенциал газобетонных смесей, является тепловыделение за счет гидратации цемента. На величину тепловыделения при гидратации цемента оказывает влияние минералогический состав клинкера. Минералогический состав цементов и значения удельного тепловыделения при его гидратации приведены в таблице 6.Таблица 6Минералогический состав цементов и их удельное тепловыделение при гидратации№ п/пНаименование цементаСодержание минералов, %Удельное тепловыделение, кДж/кгC3SС2SС3АС4АF1Новороссийский ЦЕМ I 42,5 Н65124135022Белгородский ЦЕМ I 42,5 Н61175125053Себряковский ЦЕМ 1 42,5 Н6212912560 Для интегральной величины тепловыделения в процессе гидратации цемента существенное значение имеет содержание С3А. У цемента Себряковский ЦЕМ 1 42,5 Н количество С3А составляет 12 % и величина удельного тепловыделения практически на 10 % или на 55 кДж/кг выше, чем у двух других низкоалюминатных цементов. Повышенная начальная температура газобетонной смеси (43 °С) и ее быстрый рост при выдерживании массива в камере предварительного твердения способствуют увеличению степени гидратации и значимости выделяемой энергии при гидратации цемента в термическом потенциале газобетонных смесей.В процессе формирования структуры газобетонной смеси происходит изменение ее состава: алюминиевый газообразователь преобразуется в кальциевые гидраты; из оксида кальция образуется гидроксид; появляются первичные продукты гидратации цемента. Однако существенного изменения теплоемкости смесей за счет протекания реакций гидратообразования не происходит, так как удельная теплоемкость безводных компонентов и гидратных фаз находится на одинаковом уровне. Энергетический потенциал газобетонных смесей марок по средней плотности от D100 до D600 приведен на рис. 2.  Рис. 2. Тепловыделение в газобетонных смесях:   – алюминий – газообразователь;   – оксид кальция;   – цемент ЦЕМ I 42,5 Н,   – суммарный потенциал По полученным данным (рис. 2), для низких марок газобетонных смесей по средней плотности (D100) существенный вклад на тепловыделение в смеси вносит реакция с алюминиевым газообразователем. Однако начиная с марки по средней плотности D200 величина тепловыделения реакции составляет уже четверть от суммарного объемного тепловыделения, а в газобетонной смеси для марки по средней плотности D500 – 15 %. Чем меньше проектная марка по средней плотности, тем существенней роль дисперсного алюминия в формировании теплового режима в газобетонной смеси.Степень гидратации для цемента принята α = 0,2. Вклад твердеющего цемента в суммарное тепловыделение при предварительном твердении массива для технологии автоклавного газобетона незначительна. Для марок по плотности от D200 до D600 тепловыделение практически не меняется, составляя соответственно 8534 кДж/м3 и 9036 кДж/м3.Основную роль в формировании теплового режима массива играет негашеная молотая известь. Если для газобетонной смеси марки по средней плотности D100 экзотермия от реакций СаО и Аl сопоставима, то уже для смесей марки по средней плотности D200 вклад СаО в суммарное тепловыделение в 2 раза больше. Для марки по средней плотности D500 объемное тепловыделение за счет извести составляет 41044 кДж/м3 или 70 % от суммарного. Приращения температуры в газобетонных смесях с марками по средней плотности от D100 до D600 приведены на рис. 3. Рис. 3. Температурные приращения в газобетонных смесях:   – алюминий – газообразователь;   – оксид кальция;   – цемент ЦЕМ I 42,5 Н;    ˗ суммарный потенциал На рис. 4 даны расчетные температуры в газобетонных смесях и массиве для исходной температуры смеси при ее заливке в форму, равной 43 °C. Рис. 4. Расчетные температуры в газобетонных смесях и массиве:   – заливка смеси в форму;   – газообразование в смеси;   – формирование первичной структуры (гидратация СаО);   – завершение структурообразования Технологический процесс от момента заливки газобетонной смеси в форму до распалубки массива предлагается разделить на три стадии. Первая – газообразование в смеси с формированием пористой структуры массива. Экзотермия в смеси за счет дисперсного алюминия наиболее значима для низких плотностей и составляет 30,2 °C у газобетонной смеси с маркой по средней плотности D100 или 42,4 % суммарного прироста температуры. У газобетонных смесей с маркой по средней плотности от D300 и выше экзотермия газообразователя повышает температуру газобетонной смеси менее чем на 10 °C, что составляет не более 20 % в суммарном градиенте температуры. На второй стадии экзотермическим процессом является гидратация СаО с формированием каогуляционной структуры межпоровых перегородок. Заводы автоклавного газобетона замедляют гидратацию извести добавкой гипса. Тем самым разделяются этапы формирования пористой структуры и первичной структуры – пластической прочности массива. Независимо от марки по средней плотности приращение температуры смеси от гидратации СаО составляет величину порядка 30 °C.Третьей стадией является завершение структурообразования в массиве за счет твердения цемента. Экзотермические реакции гидратации цемента способствуют, но не существенному, приращению температуры в газобетонной смеси. Образование игольчатых АFt и пластинчатых АFm–фаз придает газобетонному массиву пластическую прочность, необходимую для резки. Показатели газобетонной смеси марки по средней плотности D100 и D500 при изменении водотвердого отношения приведены на рис. 5, 6.  Рис. 5. Показатели газобетонной смеси марки по средней плотности D100 при изменении водотвердого отношения:   – объемная теплоемкость;   – приращение температуры;   – изменение приращения;   – расчетная температура от заливки с t = 43 °C  Рис. 6. Показатели газобетонной смеси марки по средней плотности D500 при изменении водотвердого отношения:   – объемная теплоемкость;   – приращение температуры;   – изменение приращения;   – расчетная температура от заливки с t = 43 °C  Вода является самым теплоемким компонентом газобетонной смеси. Водотвердое отношение служит одним из основных факторов в технологии автоклавного газобетона: при высоком В/Т литьевая технология, при низком В/Т – ударная. Количество воды в смеси можно рассматривать и как прием воздействия на температуру газобетонной смеси. Так в газобетонной смеси марки по средней плотности D500 увеличение В/Т с 0,4 до 0,6 снижает расчетную температуру смеси после предварительного твердения с 95,0 °C до 81,7 °C при начальной температуре заливки 43 °C (рис. 6). В газобетонной смеси с маркой по средней плотности D100 изменение В/Т с 0,79 до 0,99 снижает приращение температуры с 75,1 до 62,4 °C.Из рецептурных характеристик существенное влияние на температуру газобетонной смеси оказывает активность извести. Показатели газобетонной смеси марки по средней плотности D500 при изменении активности извести приведены на рис. 7, а для газобетонной смеси с маркой по средней плотности D100 – на рис. 8.  Рис. 7. Показатели газобетонной смеси марки по средней плотности D500 при изменении активности извести:   – объемная теплоемкость;   – приращение температуры;   – изменение приращения;   – расчетная температура от заливки с t = 43 °C   Рис. 8. Показатели газобетонной смеси марки по средней плотности D100 при изменении активности извести:   – объемная теплоемкость;   – приращение температуры;   – изменение приращения;   – расчетная температура от заливки с t = 43 °C  В газобетонной смеси с маркой по средней плотности D500 изменение количества активного СаО на 1 кг/м3 приводит к соответствующему изменению температуры газобетонной смеси на 1 °C. При низких плотностях роль извести еще более значительна. Изменение количества извести в газобетонной смеси марки по средней плотности D100 на 2,5 кг/м3 создает градиент температуры в 7 °C.Большое влияние на температуру газобетонной смеси оказывает начальная температура борта и днища формы. Показатели для газобетонной смеси марки по средней плотности D500 в форме приведены в таблице 7.Таблица 7Показатели газобетонной смеси марки по средней плотности D500 в формеНаименованиеСмесьБортДнищеНачальная температура, °C43,054,079,0Теплоемкость, кДж/град83871902577Температура после газообразования, °C50,054,079,0Температура после гидратации СаО, °C75,675,679Температура завершения выдержки массива, °C           81,7При запуске технологии производства формы холодные и значительное количество тепла от экзотермических реакций в газобетонной смеси идет на их нагрев. В стабильном технологическом процессе температура борта принята 54 °C, днища 79 °C. При таких температурах формооснастки температура газобетонной смеси марки по средней плотности D500 снижается с 90,9 °C до 81,7 °C к моменту завершения выдержки и распалубки массива. Выводы. Газобетонная смесь за счет экзотермических процессов взаимодействия дисперсного алюминия, гидратации извести и начального твердения цемента имеет высокий энергетический потенциал с расчетным увеличением температуры смеси свыше 90 °C. Основной вклад в тепловыделение в смеси вносит оксид кальция. Значимыми показателями для теплового режима массива являются проектная марка по средней плотности, расход извести и водотвердое отношение. Расход тепла газобетонной смеси на нагрев формы и окружающей среды является негативным фактором, создающим термический градиент в массиве и связанные с этим напряжения.  Использование энергетического потенциала газобетонных смесей позволит увеличить производительность технологической линии, снизить расход вяжущего за счет положительного эффекта на прочностные характеристики газобетона. Управление теплофизическими характеристиками позволить повышать качество выпускаемой продукции.