Россия
с 01.01.2022 по 01.01.2024
Россия
Россия
УДК 691 Строительные материалы и изделия
Пенобетон на основе стеклощелочного вяжущего – это строительный материал с ячеистой структурой, получаемый с использованием стеклобоя в качестве основного компонента вяжущего и щелочного раствора для его активации. Такой подход позволяет создавать безавтоклавные ячеистые и поризованные бетоны с повышенной стойкостью в агрессивных средах. Разработана технология получения пенобетона на основе стеклощелочного вяжущего. Для этого были изучены технические характеристики ряда пенообразователей, из которых выбран наиболее оптимальный – «Пеностром». Также определены модифицирующие добавки, которые формируют прочность межпоровых перегородок пенобетонного каркаса и выступают в роли стабилизаторов пенной структуры ячеистого массива. Приведены расчеты в таблицах, и выбран оптимальный вариант пенообразователя. Изучены физико-механические характеристики полученного пенобетона. Пенобетон на основе стеклощелочного вяжущего обладает технико-эксплуатационными показателями, отвечающими современным стандартным требованиям. Использование предложенной технологии позволит заменить традиционно применяемый промышленностью дорогостоящий портландцемент, упростить саму технологию, существенно снизив ее энергоемкость. Для приготовления пенобетона на основе стеклощелочного вяжущего рекомендуется тонкий помол стекла, чтобы снизить деформации усадки при твердении. Таким образом, пенобетон на стеклощелочном вяжущем представляет собой перспективное направление в производстве строительных материалов, сочетающее особенности ячеистых бетонов и специфические свойства стеклощелочных композиций
стеклощелочное вяжущее, пенообразователи, технология изготовления, состав пенобетона, результаты испытаний, теплопроводность, сорбционная влажность
Введение. Энергосбережение и ресурсосбережение всегда были и будут оставаться актуальной глобальной проблемой. Современная наука о строительных материалах все больше фокусируется на исследованиях и разработке новых теплоизоляционных материалов и улучшении существующих. Пенобетон, особенно стеклощелочной пенобетон, является таким современным теплоизоляционным материалом с низкой теплопроводностью. Стеклощелочной пенобетон – это высокоэффективный современный строительный материал. К его основным преимуществам относятся энергосберегающее производство, экологичность (перерабатываемое битое стекло), отличная химическая стойкость и биологическая стабильность, а его характеристики могут регулироваться добавками. Он подходит для широкого спектра применений: от теплоизоляции до строительства в суровых условиях [1–5].
Стеклощелочной пенобетон – это пористый бетон со стеклощелочной связью: порошок битого стекла, смешанный со щелочным раствором. Этот пористый материал имеет закрытые поры и низкую теплопроводность. Использование аморфных или стекловидных материалов является перспективным решением для экономии ресурсов и повышения теплоизоляционных характеристик строительных материалов, поскольку их теплопроводность значительно ниже, чем у кристаллических материалов [6]. Поэтому разработка стеклосодержащего связующего состава, способного обеспечить прочность при нормальных условиях температуры и влажности или при температуре термообработки не выше 100°C, имеет большое значение. На основе полученного связующего необходимо подобрать подходящий состав, разработать энергосберегающий производственный процесс для пенобетонной конструкционной теплоизоляции и определить области его рационального применения.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
– создание теоретической основы для целесообразности производства неавтоклавированного пенобетона на основе измельченного стекла;
– выбор эффективных структурообразующих добавок;
– определение наиболее подходящего состава пенобетона в зависимости от области применения;
– исследование основных физико-механических свойств и эксплуатационной долговечности пенобетона с использованием стеклощелочных связующих.
Ранее авторы разработали составы и производственные процессы для стеклощелочных связующих и изучили их физико-механические свойства [7, 8]. Применение этого связующего в производстве пенобетона является отправной точкой данного исследования. В целом, разработка геополимерного пенобетона (одним из типов которого является пенобетон на основе стеклощелочного связующего) представляет собой относительно новую область материаловедения в строительстве, поскольку данные о взаимосвязи между составом, структурой и свойствами этих материалов весьма ограничены [9].
Материалы и оборудование 1. Бой оконного и тарного стекла. При получении композиционного вяжущего использовался бой оконного и тарного стекла. Бой стекла сначала предварительно дробился в лабораторной щековой дробилке затем дробленый бой оконного и тарного стекла просеивался сквозь сито с размером отверстий 2,5 мм, а затем просеянный бой измельчался в порошок в шаровой фарфоровой мельнице.
2. Щелочной компонент – натриевая гранулированная щелочь, ГОСТ 4328–77, марки «х.ч.» (табл. 1).
3. Пенообразователи. В качестве пенообразующих материалов были использованы синтетические пенообразователи: «Морпен», ТУ 2481-008-22299560-02; «ТЭАС», ТУ 2481-005-45811049-01; «ПБ-формула», ТУ 2481-008-80824910-2012; «Пеностром», ТУ 2481-001-22299560-99. Производитель названных пенообразователей – ООО «Щит», г. Шебекино, Белгородская обл.
Технические характеристики пенообразователей определялись с использованием стандартных методик, согласно ГОСТ Р 50588–2012. При этом изучались параметры: плотность (ρ); рН; кратность пены (Кп) – отношение объема пены к начальному объему пенообразователя; стойкость пены (Сп) – время «таяния» пены; отход жидкости (Ож) – время, за которое из столба пены выделится 50 % жидкости; масса сухого остатка после выпаривания жидкой фазы (Мост.). Результаты исследований приведены ниже в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики натриевой гранулированной щелочи
|
Наименование показателя |
Норма Химически чистый (х.ч.) |
|
1. Массовая доля гидроокиси натрия (NaOH), %, не менее |
99 |
|
2. Массовая доля углекислого натрия (Na2CO3), %, не более |
0,8 |
|
3. Массовая доля общего азота, %, не более |
0,0003 |
|
4. Массовая доля кремнекислоты (SiO2), %, не более |
0,002 |
|
5. Массовая доля сульфатов (SO4), %, не более |
0,0005 |
|
6. Массовая доля фосфатов (PO4), %, не более |
0,0005 |
|
7. Массовая доля хлоридов (Cl), %, не более |
0,0025 |
|
8. Массовая доля алюминия (Al), %, не более |
0,0005 |
|
9. Массовая доля железа (Fe), %, не более |
0,0005 |
|
10. Массовая доля кальция и магния в пересчете на Mg , %, не более |
0,005 |
|
11. Массовая доля калия (K), %, не более |
0,01 |
|
12. Массовая доля тяжелых металлов (Ag), %, не более |
0,0005 |
|
13. Массовая доля мышьяка (As), %, не более |
0,00004 |
Таблица 1
Технические характеристики пенообразователей
|
Наименование |
ρ, г/см3 |
рН |
Кп |
Сп, ч. |
Ож, мин. |
Мост. % |
Цвет |
|
Морпен |
1,026 |
7,8 |
5,2 |
3 |
30 |
18 |
коричневый |
|
ТЭАС |
1,032 |
5,6 |
5,0 |
3 |
20 |
16,5 |
коричневый |
|
ПБ-формула |
1,017 |
6,5 |
4,5 |
3 |
15 |
12,8 |
прозрачный |
|
Пеностром |
1,023 |
5,3 |
5,0 |
3 |
15 |
10 |
коричевый |
4. Жидкое стекло натриевое – производства ООО «ЛОНТРЕК», г. Москва, ГОСТ 13078–81. Силикатный модуль – 2,75; плотность – 1,42 г/см3.
5. Силикат-глыба, модуль 2,81, производитель Торговый дом «Стеклопродукт», г. Шебекино. Является полуфабрикатом при производстве жидкого стекла.
Среди измельчительного оборудования были задействованы лабораторная щековая дробилка и фарфоровая шаровая мельница, объемом 4 л. Тепловую обработку образцов осуществляли в сушильном шкафу ШС-80-01 СПУ, производства ОАО «Смоленское СКТБ СПУ», г. Смоленск. Выдерживались образцы в эксикаторе с водой.
Испытания образцов на прочность при сжатии проводились, согласно ГОСТ 10180–2012 на гидравлическом прессе ПГМ-50МГ4, производства Челябинского СКБ «Стройприбор». Теплопроводность измерялась на приборе ИТС-1 «150», производства ООО НПП «Интерприбор», г. Челябинск.
Основная часть. В процессе получения пенобетона раствор пенообразователя смешивался в рассчитанной пропорции со стеклощелочной массой (вяжущим), стекло и натриевая гранулированная щелочь ГОСТ 4328–77, марки «х.ч.».
Смешивание вначале осуществлялось вручную (шпателем), а после достижения нужной консистенции – в лабораторном миксере со скоростью 250 об/мин. Время перемешивания в миксере составляло 2 мин. Далее полученная пенобетонная масса заполняла металлические формы с ячейками-кубами с размером ребра 3 см и выдерживалась до набора распалубочной прочности в течение двух суток. После распалубки образцы высушивались в сушильном шкафу при температуре 85–90ºС в течение 4-х ч. По окончании тепловой обработки образцы доставали из сушильного шкафа и затем подвергались физико-механическим испытаниям.
На первом этапе важно было определить наиболее подходящий пенообразователь и его концентрацию. Среди всех опробованных пенообразователей наиболее эффективно себя проявил «Пеностром». Образцы, полученные с его участием, сохраняли свою ячеистую структуру в течение двух суток после изготовления, при этом пена не оседала, и отход жидкости (синерезис) был минимальным. После этого, взяв за основу данный пенообразователь, был проделан ряд экспериментов по обнаружению оптимальной концентрации пенообразователя и изучения свойств полученного пенобетона.
Предварительные результаты показали, что для того, чтобы достичь плотности менее 1000 кг/м3 (такая ставилась вначале цель), требуется использовать в составе смеси не менее 1 % пенообразователя от стеклощелочной массы, но при этом наблюдалась довольно низкая прочность – не более 1 МПа. Авторы работ [10–12] также получили аналогичные результаты, объясняя это тем, что использование только мелкодисперсного стеклянного порошка в составе пенобетона оказалось неэффективным, приводя к повышению хрупкости перегородок пор и, следовательно, к значительному снижению прочности. Для устранения этого неблагоприятного эффекта авторы использовали в качестве добавки жидкое стекло, обладающее химическим сродством с измельченным стеклом. В итоге они получили газобетон с прочностью до 2 МПа и плотностью 150–320 кг/м³.
Авторами данного исследования была использована совместная добавка силикат-глыбы и жидкого стекла в соотношении 1:1 (индивидуальные добавки существенного эффекта не дали). Твердая силикат-глыба сначала загружалась в мельницу совместно со стеклобоем, а растворимое жидкое стекло – с щелочным раствором. Остальные операции соответствовали вышеописанным.
Средняя плотность определялась методом замера расстояний противоположных граней сухих образцов с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм и взвешиванием на технических электронных весах с точностью до 0,01 г. Истинная плотность определялась пикнометрическим методом и оказалась равной 2,5 г/см3, что соответствует плотности оконного стекла.
Для пористых композитных материалов пористость является ключевой характеристикой, определяющей их основные теплофизические свойства, а, следовательно, и ключевой характеристикой, определяющей эффективность их практического применения. Общую пористость образцов пенобетона рассчитывали стандартными методами в соответствии с ГОСТ 12730.4–2020 и вычисляли по формуле:
П = 
·100 %,
где ρист и ρср – истинная и средняя плотности соответственно.
Как показали результаты (табл. 3), на основании стеклощелочного вяжущего при участии совместных добавок силикатной глыбы и жидкого стекла, а также синтетического пенообразователя «Пеностром», может быть получен пенобетон с плотностью от 1020 до 728 кг/м3 и прочностью на сжатие от 0,4 до 2,15 МПа. При этом составы №№ 2 и 3 соответствуют требованиям ГОСТ 25485–2019.
Для испытаний на теплопроводность был выбран состав № 2. Образцы данного состава были изготовлены в формах размером 150×150×20 мм, согласно руководству по эксплуатации прибора-тепломера ИТС «150». В результате испытаний теплопроводность оказалась равной 0,117–0,119 Вт/(м·К), что соответствует требованиям упомянутого стандарта для ячеистого бетона марки по плотности D500.
Известно, что на теплопроводность материала оказывает влияние его влажность, поэтому важным этапом дальнейших исследований было изучение способности материала поглощать (сорбировать) влагу из воздуха и в значительной мере определить его теплотехнические свойства, а также характеристики ограждающих конструкций зданий в процессе их эксплуатации.
Таблица 3
Результаты испытаний образцов пенобетона*
|
№ |
Содержание компонентов, мас. % |
В/Т |
ПО |
Плотность, кг/м3 |
Прочность на сжатие, МПа |
Пористость, % |
||
|
СЩВ |
СГ |
ЖС |
||||||
|
1 |
96,8 |
1,6 |
1,6 |
0,23 |
1,00 |
1020 |
2,15 |
59,2 |
|
2 |
1,12 |
828 |
1,21 |
66,9 |
||||
|
3 |
1,28 |
748 |
1,0 |
70,0 |
||||
|
4 |
1,44 |
728 |
0,4 |
70,9 |
||||
*Обозначения: СЩВ – стеклощелочное вяжущее; СГ – силикат-глыба; ЖС – жидкое стекло; В/Т – водотвердое отношение; ПО – пенообразователь (в % от массы СЩВ).
Равновесная сорбционная влажность строительных материалов в значительной степени определяет процесс тепло- и влагопереноса через внешнюю ограждающую конструкцию и, следовательно, тепловое сопротивление в реальных условиях эксплуатации. Поэтому при расчете теплового сопротивления конструкции крайне важно понимать сорбционную влажность материалов, из которых она состоит [13–15].
Для проведения данного эксперимента использовалась методика ускоренного определения сорбционной влажности – ГОСТ 17177–94, а также рекомендации, изложенные в публикациях [16–18]. В эксперименте использовались обломки образцов №№ 2 и 3 (табл. 3) после прочностных испытаний. Их измельчили, затем пробу массой 5 грамм взвесили и поставили высушивать до постоянной массы. Затем емкость с пробой материала поместили в эксикатор над водой и выдерживали в течение суток, а потом в течение трех суток. После истечения времени емкости с образцами взвешивали, затем записывали показатели. Объемы проб материала, одновременно помещенных в эксикатор, не должен превышать 50 % объема воздушного пространства в эксикаторе. Как показали результаты, обе серии образцов в течение суток поглощают от 2,33 до 2,40 % влаги из воздуха. Указанный стандарт не вносит ограничений на сорбционную влажность материалов, однако полученные значения несколько ниже, чем у цементных ячеистых бетонов. Это объясняется тем, что основная масса СЩВ (около 97 %) состоит из боя стекла, не обладающего гигрокопичностью, а поглощает влагу из воздуха лишь щелочная составляющая, содержание которой не превышает 3–3,5 % от массы вяжущего.
Выводы. Из всего выше перечисленного можно сделать вывод что, на основе стеклощелочного вяжущего разработана технология, и получен конструкционно-теплоизоляционный пенобетон со значениями плотности – 728–1020 кг/м3, прочности на сжатие – 0,4–2,15 МПа и теплопроводностью – 0,117–0,119 Вт/(м·К), а также со значениями сорбционной влажности – 2,3–2,4 % за сутки поглощения. Совместная добавка «жидкое стекло-силикатная глыба», которая была применена в данной работе, выполняет структурно-образующую функцию, формируя основу прочного геополимерного каркаса. Она также выступает в роли стабилизатора пенной структуры ячеистого массива. Также необходимо учитывать совместимость работы пенообразователя со щелочью, так как высокий показатель щёлочности может препятствовать равномерному появлению пористой структуры из-за быстрого разрушения воздушных пузырьков. Требуется постоянный контроль за равномерностью распределения компонентов в смеси, чтобы обеспечить однородность пористости данного материала. Использование данного бесцементного и безобжигового стеклощелочного вяжущего вместо дорогостоящего портландцемента позволит существенно снизить производственные энергозатраты, получить экологически чистый материал, упростить саму технологию и получить пенобетон, соответствующий стандартным требованиям.
1. Kozhukhova N., Teslya A., Kozhukhova M. Nikulin I. The Effect of Different Modifying Methods on Physical, Mechanical and Thermal Performance of Cellular Geopolymers as Thermal Insulation Materials for Building Structures // Buildings. 2022. Vol. 12(2). 241. DOIhttps://doi.org/10.3390/buildings12020241.
2. Кожухова Н. И. Опыт производства ячеистых бетонов на основе геополимерных вяжущихоснове геополимерных вяжущих // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2023. № 4. С. 8–23. DOIhttps://doi.org/10.34031/2071-7318-2023-8-4-8-23.
3. Kozhukhova N.I., Glazkov R.A., Ageeva M.S., Kozhukhova M.I., Nikulin I.S., Zhernovskaya I.V. Physical, Mechanical and Microstructural Characteristics of Perlite-Based Geopolymers Modified with Mineral Additives // Journal of Composites Science. 2024. Vol. 8 (6). 211. DOIhttps://doi.org/10.3390/jcs8060211.
4. Shi J., Bayraktar O.Y., Bayrak B., Bodur B., Oz A., Kaplan G., Aydin A.C. Physical, mechanical and microstructural properties of one-part semi-lightweight geopolymers based on metakaolin modified with gypsum and lime // Materials Chemistry and Physics. 2024. Vol. 313. 128681. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.128681
5. Tchakouté H.K., Rüscher C.H., Kong S., Kamseu E., Leonelli C. Geopolymer binders from metakaolin using sodium waterglass from waste glass and rice husk ash as alternative activators: A comparative study // Construction and Building Materials. 2016. 114. Pp. 276–289. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.03.184
6. Гороховский А.В., Мещеряков Д.В. Бурмистров И.Н. Теплоизоляционный материал на основе боя стекла, подвергнутого механохимической активации. // Стекло и керамика. 2010. № 1. С. 6–9.
7. Воронцов В.М., Рябцева С.В., Яремчук М.В. Разработка состава и технологии получения стеклощелочного вяжущего // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2025. № 6. С. 32–38. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-10-6-32-38 EDN: https://elibrary.ru/TEYUXI
8. Лесовик В.С., Воронцов В.М., Яремчук М.В. Бесцементное и безобжиговое вяжущее и способ его активации // Строительные материалы. 2026. № 1-2. С. 55–59. DOI:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2026-843-1-2-55-59 EDN: https://elibrary.ru/LTWNKM
9. Zhang Z., Provis J., Reid A., Wang H. Geopolymer foam concrete: An emerging material for sustainable construction // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 56. Pр. 113–127. DOI: 10.1016 / j. conbuildmat.2014.01.081.
10. Ерофеев В.Т., Богатов А.Д., Богатова С.Н., Борискин А.С. Ячеистые и поризованные бетоны на стеклощелочном связующем // Транспортное строительство. 2009. № 8. С. 14–17. EDN: https://elibrary.ru/KUIBEV
11. Самченко, С.В., Александрова, О.В., Зайцева А.А. Влияние плотности жидкого стекла на свойства газобетона // Техника и технология силикатов. 2019. № 3. С.78–82.
12. Зайцева А.А., Зайцева Е.И., Самченко С.В. Перспективные теплоизоляционные материалы на основе стеклобоя и жидкого стекла // Техника и технология силикатов. Т. 28. № 1. 2021. С. 17–20. EDN: https://elibrary.ru/KFVCDK
13. Пастушков П.П., Павленко Н.В., Коркина Е.В. Использование расчетного определения эксплуатационной влажности теплоизоляционных материалов // Строительство и реконструкция. 2015. № 4. С. 168–172. EDN: https://elibrary.ru/UAXPFL
14. Гагарин В.Г., Пастушков П.П., Реутова Н.А. К вопросу о назначении расчетной влажности строительных материалов по изотерме сорбции // Строительство и реконструкция. 2015. № 4. С. 152–155. EDN: https://elibrary.ru/UAXPEH
15. Гагарин В.Г., Пастушков П.П. Определение влажности строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 8. С. 28–33. EDN: https://elibrary.ru/UGYVUD
16. Киселев И.Я. Влияние равновесной сорбционной влажности строительных материалов на сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2014. № 8 (187). С. 34–35. EDN: https://elibrary.ru/SZSXHD
17. Киселев И.Я. Метод ускоренного определения равновесной сорбционной влажности легких и ячеистых бетонов // Строительные материалы. 2016. № 6. С. 12–14. EDN: https://elibrary.ru/WFGMBX
18. Черных В.А., Баранова А.А., Скулин А.С., Коцырь А.И. Определение сорбционной влажности ячеистых бетонов // Современные технологии и научно-технический прогресс. 2021. Т. 1. № 8. С. 203–204. EDN: https://elibrary.ru/JYFPCX
