Россия
Россия
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Пористую структуру бетона можно получить не только за счет выделения газа, но и, как следует из уточненного уравнения Рэлея-Плессета, за счет фактора внешнего давления. Вибровакуумный способ поризации формовочных смесей позволяет получать обширную гамму эффективных строительных материалов с пористой структурой, одним из которых является поризованный гипсобетон.
вибровакуумирование, ячеистые бетоны, пористая структура, поризованный гипсобетон, гипсосодержащие композиты.
Ячеистые бетоны традиционно получают с использованием газообразователя (газобетон) или пенообразователя (пенобетон), причем повышенного его количества. Однако пористую структуру бетона можно получить не только за счет выделения газа, но и, как следует из уточненного уравнения Рэлея-Плессета (1), за счет фактора внешнего давления [1–3].
(1)
В уравнении (1) Рг и Рп давление в газовой фазе поры соответственно водорода и водяного пара. Давление в жидкой фазе представлено в виде суммы атмосферного давления Ра и избыточного давления над смесью Ризб. Для промышленно применяемых технологий Ризб = 0 и процесс газообразования протекает в смеси при атмосферном давлении. При вакуумировании воздушного пространства над смесью Ризб имеет отрицательную величину, что является предметом отдельного рассмотрения.
Гидростатическое давление смеси Pсм:
Pсм = ρсм ·g·H, (2)
где ρсм принята равной 1800 кг/м3; Н – высота смеси над порой, м.
Давление, обусловленное инерционным сопротивлением смеси Ри:
(3)
Капиллярное давление Рк:
(4)
где σ – поверхностное натяжение жидкой фазы в смеси, принимаемое равным величине поверхностного натяжения воды.
Давление, вызванное вязкостным сопротивлением смеси Рη:
(5)
где η – вязкость ячеистобетонной смеси.
Установлена взаимосвязь между давлением газовой фазы в формовочной массе с ее реологическими и гравитационными свойствами, диаметром пор, давлением внешней среды и поверхностным натяжением раствора при различных внешних воздействиях на формовочную смесь.
Одним из способов вспучивания вязких композиций является снижение давления (Ризб) воздуха над смесью или вспучивание смеси в вакууме. Уменьшение давления над смесью обеспечивает расширение газовой поры с компенсацией сил тяжести и инерции, Лапласа и вязкости в соответствии с уточненным уравнением Рэлея-Плессета (1). Это реализовано в разработанной вакуумной технологии формирования пористой структуры ячеистого бетона.
Определяющая роль давления над поризуемой смесью при формировании ячеистой структуры композита достигается за счет его снижения до уровня вакуума, соответствующего 0,06…0,095 МПа.
При вспучивании вязких смесей с низким водовяжущим отношением наряду с вакуумом возможны динамические воздействия на смесь, снижающие значимость сил вязкости.
Совместное воздействие вакуума и вибрации реализовано в разработанной вибровакуумной технологии формирования пористой структуры ячеистого бетона.
Вибровакуумный способ поризации формовочных смесей позволяет получать обширную гамму строительных материалов с пористой структурой, в частности получать и поризованный гипсобетон [4–6]. Сущность его заключается в том, что если в формовочной массе содержатся зерна с защемленным в них в любой форме воздухом, то при создании вакуума над смесью этот воздух извлекается и поризует ее. При этом смесь вспучивается. Однако в процессе сдвигового деформирования вспучиваемой массы в ее структуре возникает множество локальных разрывов сплошности, которые фиксируются при твердении материала и существенно должны снижать его прочность и долговечность. Поэтому с целью ликвидации структурной дефектности, возникающей при вспучивании, целесообразно смесь вибрировать в процессе вспучивания, что должно привести к снижению дефектности структуры и повышению прочности гипсобетона.
Исследования показывают, что указанные выше локальные разрывы сплошности устраняются лишь при вибрировании, параметры которого обеспечивают достижение минимального уровня вязкости системы, соответствующие разрыву всех коагуляционных контактов между частицами [7].
В исследованиях использовался строитель-ный гипс β – модификации марки Г-6 со сроками начала и конца схватывания 4 и 0 минут. Формовались кубы размером 10×10×10 см, которые твердели в естественных условиях, высушивались до постоянной массы и испытывались через 28 суток.
Режимы формования образцов:
− вакуумирование: после укладки смеси в форму, она помещалась в вакуумкамеру, в которой создавался заданный вакуум, и выдерживалась в вакууме до фиксации полученной структуры.
− вибровакуумирование: данный режим отличался тем, что во время увеличения вакуума в камере смесь подвергалась дополнительно вибрированию. После достижения необходимого вакуума вибрация прекращалась, а смесь выдерживалась в вакууме до фиксации структуры.
Результаты испытаний образцов поризованного гипсобетона по двум режимам представлены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Результаты испытания вакуумированного гипсобетона
|
№№ п/п |
В/Г |
Вакуум, МПа |
Средняя плотность, кг/м3 |
Прочность на сжатие, МПа |
|
1 |
0,4 |
0,06 |
903 |
3,75 |
|
2 |
0,065 |
918 |
2,6 |
|
|
3 |
0,07 |
900 |
2,6 |
|
|
4 |
0,075 |
824 |
3,2 |
|
|
5 |
0,08 |
830 |
1,2 |
|
|
6 |
0,085 |
760 |
1,6 |
|
|
7 |
0,09 |
722 |
1,4 |
|
|
8 |
0,095 |
688 |
0,89 |
|
|
9 |
0,5 |
0,06 |
851 |
2,0 |
|
10 |
0,065 |
805 |
1,8 |
|
|
11 |
0,07 |
780 |
1,7 |
|
|
12 |
0,75 |
775 |
1,6 |
|
|
13 |
0,08 |
737 |
1,5 |
|
|
14 |
0,085 |
722 |
1,2 |
|
|
15 |
0,09 |
647 |
0,69 |
|
|
16 |
0,095 |
629 |
0,55 |
|
|
17 |
0,6 |
0,06 |
764 |
0,88 |
|
18 |
0,065 |
707 |
1,06 |
|
|
19 |
0,07 |
720 |
0,99 |
|
|
20 |
0,075 |
707 |
0,78 |
|
|
21 |
0,08 |
693 |
0,57 |
|
|
22 |
0,085 |
664 |
0,9 |
|
|
23 |
0,09 |
630 |
0,44 |
|
|
24 |
0,095 |
567 |
0,24 |
|
|
25 |
0,7 |
0,06 |
698 |
0,69 |
|
26 |
0,065 |
678 |
0,85 |
|
|
27 |
0,07 |
691 |
0,31 |
|
|
28 |
0,075 |
633 |
0,63 |
|
|
29 |
0,08 |
766 |
3,32 |
|
|
30 |
0,085 |
748 |
2,7 |
|
|
31 |
0,09 |
697 |
1,28 |
|
|
32 |
0,095 |
648 |
1,41 |
Таблица 2
Результаты испытания
вибровакуумированного гипсобетона
|
№№ п/п |
В/Г |
Вакуум, МПа |
Средняя плотность, кг/м3 |
Прочность на сжатие, МПа |
|
1 |
0,4 |
0,06 |
1012 |
13,1 |
|
2 |
0,65 |
1035 |
13,5 |
|
|
3 |
0,07 |
988 |
10,75 |
|
|
4 |
0,075 |
963 |
12,85 |
|
|
5 |
0,08 |
962 |
10,9 |
|
|
6 |
0,085 |
880 |
8,4 |
|
|
7 |
0,09 |
730 |
3,3 |
|
|
8 |
0,095 |
689 |
5,1 |
|
|
9 |
0,5 |
0,06 |
818 |
3,7 |
|
10 |
0,65 |
838 |
3,18 |
|
|
11 |
0,07 |
835 |
3,6 |
|
|
12 |
0,075 |
785 |
2,8 |
|
|
13 |
0,08 |
780 |
3,06 |
|
|
14 |
0,085 |
712 |
2,69 |
|
|
15 |
0,09 |
794 |
6,8 |
|
|
16 |
0,095 |
663 |
5,1 |
|
|
17 |
0,6 |
0,06 |
797 |
6,8 |
|
18 |
0,65 |
791 |
2,4 |
|
|
19 |
0,07 |
750 |
2,4 |
|
|
20 |
0,075 |
797 |
6,24 |
|
|
21 |
0,08 |
770 |
6,4 |
|
|
22 |
0,085 |
696 |
1,8 |
|
|
23 |
0,09 |
689 |
4,3 |
|
|
24 |
0,095 |
522 |
1,28 |
|
|
25 |
0,7 |
0,06 |
655 |
1,13 |
|
26 |
0,65 |
700 |
1,4 |
|
|
27 |
0,07 |
688 |
1,67 |
|
|
28 |
0,075 |
713 |
3,5 |
|
|
29 |
0,08 |
725 |
2,97 |
|
|
30 |
0,085 |
680 |
1,29 |
|
|
31 |
0,09 |
783 |
2,06 |
|
|
32 |
0,095 |
727 |
1,55 |
Результаты опытов со всей убедительностью подтверждают, что при прочих равных условиях вибрирование формовочной смеси во время вспучивания существенно повышает прочность гипсобетона. Так, например, при водогипсовом отношении В/Г = 0,4 и величине вакуума 0,07 МПа образцы, изготовленные без вибрирования, имели ρ = 900 кг/ м3
, R = 2,6 МПа, а приготовленные с вибрацией ρ = 988 кг/м3 и R = 10,75 МПа; при вакууме 0,085 МПа композит имел следующие характеристики: ρ = 880 кг/ м3, R = 8,4 МПа, т.е. прочность кубов, полученных с применением вибрации, увеличилась в 3 и более раз.
Построены зависимости средней плотности и прочности поризованного гипсобетона от В/Г отношения при различных режимах формования образцов (рис. 1–4).
Анализ закономерностей изменения прочности и средней плотности отформованных при различных режимах образцов показывает, что если при формовании кубов не используется вибрация, то при повышении вакуума до 0,07 МПа с увеличением В/Г отношения снижается средняя плотность и прочность гипсобетона (рис. 1, 2). При более высоком вакууме (0,08 МПа и выше) до В/Г = 0,55…0,6 сохраняется такая же закономерность, а при более высоких значениях В/Г отношения наблюдается обратная картина. Особенно такая закономерность четко проявляется при изменении средней плотности, что объясняется тем, что при высоких значениях В/Г отношения и вакуума воздух, содержащийся с формовочной смеси, уже не удерживается ею и удаляется из массы, что естественно повышает плотность и прочность материала. Вязкость смеси в таких условиях достигает предельных значений, при которых масса уже не в состоянии удерживать газ и вспучиваться.
Рис. 1. Зависимость средней плотности
вакуумированного гипсобетона от В/Г и величины вакуума
Рис. 2. Зависимость прочности на сжатие
вакуумированного гипсобетона от В/Г и величины вакуума
Рис. 3. Зависимость средней плотности
вибровакуумированного гипсобетона от В/Г
и величины вакуума
Рис. 4. Зависимость средней прочности на сжатие вибровакуумированного гипсобетона от В/Г
и величины вакуума
В целом аналогичная закономерность наблюдается и при формовании образцов с применением вибрации. Однако, в этом случае вибрирование повышает воздухоудерживающую способность формовочной смеси и поэтому даже при вакууме, равном 0,08 МПа, воздух не удаляется из нее и с увеличением В/Г отношения средняя плотность четко, а прочность гипсобетона с колебаниями снижаются (рис. 3, 4). И только при высоком вакууме порядка 0,095 МПа и В/Г больше 0,6 воздух при вибровакуумировании удаляется из смеси, что приводит к увеличению плотности и прочности материала.
Таким образом, установлены закономерности влияния В/Г отношения и режима формования образцов на их среднюю плотность и прочность на сжатие, что дает возможность определять оптимальные технологические параметры для получения наиболее эффективных поризованных гипсобетонов.
Отработаны эффективные вакуумная и вибровакуумная технологии получения газогипсовых композитов, основанные на теоретических результатах изучения системы «полуводный гипс-вода», поризация которой наиболее эффективна при использовании вяжущих с определенной морфологией сложно структурированной поверхности новообразований с защемленным и адсорбированным воздухом на поверхности частиц, так называемых адсорбционных центрах этого вяжущего [8–11]. В состав вяжущих с менее сложной структурированной поверхностью новообразований (гипсовые вяжущие α − модификации) целесообразно введение высокопористых компонентов, которые за счет дополнительно вовлеченного воздуха улучшают процесс вспучивания смеси, таких как перлитовая пудра – отход производства перлитового песка.
Поризация осуществляется без пено- и газообразователей за счет вакуумирования гипсовой смеси. При снижении атмосферного давления над поверхностью смеси, происходит увеличение количества пузырьков газовой фазы за счет имеющегося в системе воздуха в виде адсорбированного защемленного между частицами гипсового вяжущего, растворенного в воде и вовлеченного при ее перемешивании.
Рис. 5. Микроструктура порового пространства
вибровакуумированного гипсобетона
Вибровакуумированный гипсобетон харак-теризуется улучшенной микроструктурой порового пространства (рис. 5.), с более ровной внутренней поверхностью пор и более плотным прилегающим к ней слоем, чем у вакууми-рованного гипсобетона, что и объясняет улучшенные физико-механические харак-теристики.
1. Сулейманова Л.А., Лесовик В.С. Газо-бетон неавтоклавного твердения на компози-ционных вяжущих. Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. 304 с.
2. Сулейманова Л.А. Управление процес-сом формирования пористой структуры ячеи-стых бетонов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухо-ва. 2016. № 2. С. 69-76.
3. Сулейманова Л.А. Вибровакууми-рованный ячеистый бетон. Белгород: Изд-во БГТУ, 1997. 130 с.
4. А.с. 1357400 (СССР) Способ изготов-ления ячеистых гипсобетонных изделий /Д.И. Гладков, А.Е. Грушевский, В.П. Балдин, С.А. Погорелов и др. Опубл. 07.12.87; Бюл. № 45. С. 81.
5. Лесовик В.С., Гладков Д.И., Сулейма-нова Л.А.Способ изготовления ячеистобетон-ных изделий. Патент на изобретение RUS 2228264 29.05.2001.
6. Гладков Д.И., Дедурина Е.А., Сулей-манова Л.А., Тысячук В.В., Калашников А.В. Способ получения ячеистых бетонов. Патент на изобретение RUS 2137600 07.05.1998.
7. Урьев Н.Б. Взаимосвязь контактных взаимодействий и структурно-реологических свойств цементных паст, растворных и бе-тонных смесей. Реология бетонных смесей и ее технологические задачи. Тезисы докладов IУ Всесоюзного симпозиума в Юрмале, 1982. Рига, РПИ, 1982. 3-6 с.
8. Ферронская А.В. Эксплуатационные свойства бетонов на основе композиционного гипсового вяжущего // Строительные матери-алы. 1998. № 6. С. 34-36.
9. Гипсовые материалы и изделия. Спра-вочник. Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Изд-во АСВ, 2004. 488 с.
10. Производство и применение гипсовых материалов и изделий. Терминоло-гический словарь (основные термины и опре-деления на русском и немецком языках). Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Изд-во АСВ, 2006. 263 с.
11. Коровяков В.Ф. Повышение эффективности гипсовых вяжущих и бетонов на их основе: диссертация ... доктора технических наук: 05.23.05. М., 2002. 367 с.
