ПЕНОБЕТОН ДИСПЕРСНО

Вестник ТГАСУ № 2, 2014
127
УДК 691.327.333
КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн, наук, профессор,
kudyakow@tsuab.ru
СТЕШЕНКО АЛЕКСЕЙ БОРИСОВИЧ, аспирант,
steshenko.alexey@gmail.com
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПЕНОБЕТОН ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЙ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ
ЕСТЕСТВЕННОГО ТВЕРДЕНИЯ
Приведены результаты исследований дисперсно-армированного цементного пенобетона с минеральными и синтетическими волокнами (фибрами). При введении в пенобетонную смесь волокон в количестве 0,1–2 % от массы цемента повышается прочность
пенобетона в 28-суточном возрасте на 26–30 %, уменьшаются усадочные деформации
на 42–90 % и теплопроводность на 30–40 %. Улучшения физико-технических свойств
пенобетона можно добиться за счет введения оптимального количества волокна и его
равномерного распределения в смеси. Дисперсное армирование волокном позволяет повысить качество изготовления и применения неавтоклавного пенобетона.
Ключевые слова: теплоизоляционный пенобетон; волокна базальтовые, асбестовые и полипропиленовые; средняя плотность; прочность на сжатие; усадочные деформации; коэффициент теплопроводности.
ALEKSANDR I. KUDYAKOV, DSc, Professor,
kudyakow@tsuab.ru
ALEKSEI B. STESHENKO, Research Assistant,
steshenko.alexey@gmail.com
Tomsk State University of Architecture and Building,
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
HEAT INSULATING REINFORCED
AIR HARDENED FOAMED CONCRETE
The paper presents research results of fiber-reinforced cement foamed concrete with mineral
and synthetic fibers. Fibers included in a foam-concrete mix in the an amount of 0,1–2 wt. %
increase its 26–30 % at 28-day age; decrease shrinkage 42–90 %, and thermal conductivity
30–40 %. Mechanical-and-physical properties of foamed concrete can be improved by the optimum amount of fibers and its uniform distribution in a mix. Fiber reinforcement allows improvement of the foamed concrete quality and apply it for non-autoclave foamed concrete.
Keywords: heat-insulating foamed concrete; basalt fiber; asbestos fiber; polypropylene fiber; average density; compressive stress; shrinkage; thermal conductivity.
В реальном строительном секторе России в области технического регулирования и обеспечения конкурентной способности изготовляемой продук
Исследования проводились при финансовой поддержке Министерства образования и науки
Российской Федерации в рамках гранта № 119-12/НИОКТР от 03.11.2012.
 А.И. Кудяков, А.Б. Стешенко, 2014
128
А.И. Кудяков, А.Б. Стешенко
ции формируются новые правила игры, в основе которых заложены критерии
качества и энергосбережения. Существенное влияние на энерго- и ресурсосбережение в строительстве оказывают энергоемкость технологических процессов и теплосопротивление материалов в стеновых конструкциях. Разработка и производство конструкционно-теплоизоляционных стеновых материалов,
энергоэффективных как на стадии изготовления, так и во время эксплуатации,
особенно в суровых сибирских условиях, являются актуальными [1].
Одним из перспективных стеновых материалов, обеспечивающих энергосбережение в процессе изготовления и эксплуатации в ограждающих конструкциях, является неавтоклавный пенобетон естественного твердения.
Пенобетон обладает рядом преимуществ по сравнению с другими
стеновыми конструкционно-теплоизоляционными материалами: низкая
средняя плотность, высокие прочность (при изгибе и ударе) и коэффициент
конструктивного качества, что позволяет обеспечивать требуемое теплосопротивление ограждающих конструкций при минимальных нагрузках на
фундаменты, а также возможность благоприятной транспортировки изделий на большие расстояния. Однако неавтоклавный пенобетон обладает
большими усадочными деформациями и неоднородной структурой, что
снижает технические и конкурентные возможности пенобетона при применении в строительстве.
В технологию изготовления пенобетона постоянно вносятся предложения
по усовершенствованию процессов, что позволяет повысить уровень
и стабильность качества стенового материала [2, 3]. Для уменьшения усадочных деформаций, повышения прочности и однородности структуры пенобетона
рекомендуется вводить армирующие добавки и совершенствовать технологический процесс их равномерного распределения по объему [4]. В качестве армирующих добавок в производстве строительных материалов используются различные органические и неорганические волокна (фибры). Изделия из дисперсно-армированных пенобетонов при малой энергоемкости их изготовления
обладают существенно лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению
с традиционно применяемыми в строительстве пеноматериалами [5].
В твердеющем дисперсно-армированном пенобетоне (фибропенобетоне) создается трёхмерная сетка из волокон внутри поризованного цементного теста, что улучшает технологические свойства смеси и технические характеристики пенобетона.
Цель работы – исследование закономерностей влияния дисперсного армирования минеральными и синтетическими волокнами на технологические
и эксплуатационные свойства неавтоклавного цементного пенобетона.
Объект исследований – пенобетонная смесь и затвердевший пенобетон.
Предмет исследований – процессы получения пенобетона, модифицированного дисперсной арматурой.
При проведении исследований использовались фибра из базальта Аргаяшского месторождения, хризотил-асбестовое волокно марки А-6К-30 Баженовского месторождения и полипропиленовая фибра (C3H6)n компании
ООО «Си-Арлайнд». Химический состав базальтовых и асбестовых волокон
приведен в таблице.
Пенобетон дисперсно-армированный
129
Химический состав волокон
Содержание основных оксидов, %
Волокно
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
CaO
H2O +
Прочие
Базальтовое
48,1
16,7
9,6
4,3
12,6
–
8,7
Хризотиласбестовое
40,7
1,4
1,4
41
0,4
12,6
2,5
В качестве сырьевых материалов применялись: портландцемент Топкинского завода М500 ДО (ГОСТ 101178–85), песок кварцевый Томской области Кудровского месторождения с модулем крупности 1,8 (ГОСТ 8736–93),
пенообразователь ПБ-2000 (ТУ 2481-185-05744685–01) и вода водопроводная
(ГОСТ 23732–79).
С целью определения оптимального содержания микроармирующих добавок для приготовления пенобетонной смеси исследовались свойства (кратность, стойкость) пенообразователя с использованием вышеупомянутых волокон. Определение стойкости и кратности пенообразователя осуществлялось
по следующей методике: в металлический сосуд диаметром 12 см и высотой
40 см заливают 400 мл воды, а затем вводят пенообразователь в количестве
2 % от массы воды и микроармирующие добавки в необходимом количестве.
Раствор пенообразователя взбивают лабораторным миксером в течение 1 мин.
Высоту столба пены измеряют с помощью металлической линейки. Кратность
пены равна отношению объёмов полученной пены и раствора, пошедшего на
образование пены. Стойкость пены оценивают временем до начала самопроизвольного разрушения столба пены.
Как видно из результатов исследований, приведенных на рис. 1 и 2,
наибольшая кратность и стойкость пены получена при содержании базальтового волокна в пенобетонной смеси 0,1 %, полипропиленового волокна – 0,4 %
и хризотил-асбестового волокна 2 % от массы цемента. Эти данные использованы при дальнейших исследованиях дисперсно-армированного пенобетона.
Приготовление пенобетонной смеси проводилось одностадийным способом на лабораторной пенобетономешалке. В соответствии с этим способом
в смеситель заливается предварительно отдозированная вода, загружается
микроармирующая добавка в необходимом количестве. В случае использования хризотил-асбестовых волокон их необходимо предварительно залить водой объемом 20 % от общего количества воды на 3–5 мин, чтобы волокна
распушились. Перемешивание волокон с водой составляет 1 мин. Далее
в смеситель загружается песок, цемент, и все перемешивается в течение 2 мин
до получения однородной пластичной массы. В\Ц принято равным 0,5. Затем
в полученную смесь добавляется водный раствор пенообразователя, и все
компоненты перемешиваются еще 4,5 мин. Готовую пенобетонную смесь
укладывают в металлические формы 101010 см. Отформованные образцы
пенобетона выдерживают в нормальных условиях в течение 14 и 28 сут, до
проведения испытаний. Испытание и оценка качества пенобетона проводились по ГОСТ 25485–89. Основными исследуемыми физико-механическими
130
А.И. Кудяков, А.Б. Стешенко
Кратность
характеристиками пенобетона являются средняя плотность, прочность при
сжатии и теплопроводность.
14
12
10
8
6
4
2
0
10,9
12,7
12
10,1
9,6
10,1
9,8
11
9,3
Содержание волокон
Рис. 1. Кратность пенообразователя с содержанием различных волокон
Стойкость
160
140
120
100
80
60
40
20
0
140
130
110
90
130
100
120
130
90
Содержание волокон
Рис. 2. Влияние микроармирующих волокон на стойкость пенообразователя
На рис. 3 представлены результаты исследований по определению значений прочности на сжатие пенобетона с различным содержанием волокон.
При введении высокодисперсных волокнистых наполнителей в цементные неавтоклавные пенобетоны существенно ускоряются процессы структу-
Пенобетон дисперсно-армированный
131
рообразования, повышается предел прочности на сжатие пенобетона. Это
объясняется хорошей адгезией волокон с высокой прочностью и модулем
упругости, армированием цементной матрицы, а также высокой их щелочестойкостью по отношению к формирующейся среде твердеющего цемента.
Прочность на сжатие, МПа
0,8
0,68
0,7
0,6
0,54
0,69
0,67
0,59
0,58
0,53
0,43
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Базальт 0,1 %
Полипропилен
Асбест 2 %
0,4 %
14 сут
28 сут
Контрольный
Рис. 3. Прочностные характеристики дисперсно-армированного пенобетона марки D400
При применении базальтовой фибры наименьшее снижение средней
плотности пенобетона марки D400 (на 30–40 кг/м3) и повышение прочности
на сжатие (до 28 %) наблюдаются при содержании добавки в количестве 0,1 %
от массы цемента.
Введение полипропиленовой фибры в количестве 0,4 % от массы цемента позволяет повысить прочность на сжатие пенобетона марки D400 до
26 %. Положительное влияние полипропиленового волокна на прочность пенобетона объясняется адсорбцией добавки на поверхности гидратированных
частичек цемента, что приводит к преимущественному микроармированию
и повышению прочности цементного камня околопорового пространства пенобетона.
При оптимальном количестве хризотил-асбестового волокна в количестве 2 % от массы цемента обеспечивается повышение прочности на сжатие
пенобетона марки D400 до 30 %. Структура пенобетона с хризотил-асбестовым волокном мелкопористая, имеет больше замкнутых пор, равномерно распределенных по объему, и благодаря этому повышается однородность значений прочностных характеристик.
Теплопроводность пенобетона определялась при оптимальном содержании применяемых волокон. Вид вяжущего и условия твердения оказывают
несущественное влияние на величину теплопроводности фибропенобетона.
На рис. 4 представлены коэффициенты теплопроводности дисперсноармированного пенобетона с различными волокнами.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что армирование пенобетона минеральными и синтетическими волокнами позволяет снизить коэффициент теплопроводности и, следовательно, повысить энергоэффек-
132
А.И. Кудяков, А.Б. Стешенко
Коэффициент теплопроводности,
Вт/м°С
тивность стенового материала. При использовании базальтового волокна обеспечивается снижение коэффициента теплопроводности на 35, а полипропиленового волокна – на 30 %. Максимальный эффект снижения теплопроводности на
40 % наблюдается в пенобетоне с хризотил-асбестовыми волокнами.
Рис. 4. Коэффициенты теплопроводности дисперсно-армированного пенобетона марки D400
Усадка, мм/м
По результатам исследований (рис. 5) при введении в пенобетонную
смесь микроармирующих волокон существенно уменьшаются усадочные деформации пенобетона: базальтовых волокон – на 57 %, полипропиленовых
волокон – на 42 %, хризотил-асбестовых волокон на – 90 %.
Рис. 5. Влияние дисперсно-армирующих волокон на усадочные деформации пенобетона
По результатам проведенных исследований разработан технологический регламент приготовления фибробетонных стеновых материалов естественного твердения с пониженной усадкой и теплопроводностью для моно-
Пенобетон дисперсно-армированный
133
литного строительства и изготовления стеновых блоков и плит в заводских
условиях. Результаты исследований переданы для практического использования в ООО «Риэлтстрой-НЭБ» в г. Томске.
Выводы
Установлено, что при введении в состав пенобетонной смеси минеральных и синтетических волокон в количестве 0,1–2 % от массы цемента достигается положительный эффект: уменьшение усадочных деформаций на 42–90
%, коэффициента теплопроводности на 30–40 % и увеличение прочности на
сжатие на 26–30 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Steshenko, A.B. Process approach in management of shrinkage fiber foam concrete
/ A.B. Steshenko, A.I. Kudyakov. – Условия доступа:
http://science-persp.tpu.ru/Previous%20Materials/Konf_2013.pdf. (дата обращения 15.05.2013).
2. Пименова, Л.Н. Пенобетон, модифицированный силикагелем / Л.Н. Пименова, А.И. Кудяков // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2013. – № 2. – С. 229–233.
3. Василовская, Н.Г. Управление структурой ячеистых фибробетонов / Н.Г. Василовская,
И.Г. Енджиевская, И.Г. Калугин // Известия вузов. Строительство. – 2010. – № 11, 12. –
С. 12–13.
4. К вопросу снижения усадочных деформаций изделий из пенобетона / Ш.М. Рахимбаев,
И.А. Дегтев, В.Н. Тарасенко, Т.В. Аниканова // Известия вузов. Строительство. – 2007. –
№ 12. – С. 41–44.
5. Комохов, П.Г. Современные пенобетоны / П.Г. Комохов. – М. : Наука, 1997. – 284 с.
REFERENCES
1. Steshenko A.B., Kudyakov A.I. Process approach in management of shrinkage fiber foam concrete. Available at: http://science-persp.tpu.ru/Previous%20Materials/Konf_ 2013.pdf. Last
visited 15.05.2013.
2. Pimenova L.N., Kudyakov A.I. Penobeton, modifitsirovannyi silikagelem [Foamed concrete
modified with silica gel]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building.
2013. No. 2. Pp. 229–233. (rus)
3. Vasilovskaya N.G., Endzhievskaya I.G., Kalugin I.G. Upravlenie strukturoi yacheistykh fibrobetonov [Management structure of cellular fiberconcrete]. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2010. No. 11, 12. Pp. 12–13. (rus)
4. Rakhimbaev S.M., Degtev I.A., Tarasenko V.N., Anikanova T.V. K voprosu snizheniya usadochnykh deformatsii izdelii iz penobetona [Towards reducing shrinkage deformation of
foam-concrete products]. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2007.
No. 12. Pp. 41–44. (rus)
5. Komohov P.G. Sovremennye penobetony [Modern foamed concretes]. Moscow: Nauka, 1997.
284 p. (rus)