О структурообразовании неавтоклавных - Весь

О структурообразовании неавтоклавных
теплоизоляционных пенобетонов
http://www.rusnauka.com/CCN/Stroitelstvo/4_sidorenko2.doc.htm
К.т.н. Сидоренко Ю.В., Стрелкин Е.В.
Самарский государственный архитектурно-строительный университет,
Россия
В связи с повышением требований к теплозащитным свойствам
ограждающих конструкций зданий, установленных СНиП II-3-79**, в
настоящее время большое внимание уделяется созданию и применению
эффективных утеплителей. К их числу относится, в частности, и
неавтоклавный
теплоизоляционный
пенобетон,
отличающийся
долговечностью и эксплуатационной совместимостью с конструкционными
материалами, экологической и пожарной
безопасностью, относительно
простой технологией производства и распространенностью
сырья (чаще
всего – местного). Применение теплоизоляционного пенобетона сейчас
особенно востребовано в малоэтажном
(коттеджи, “теплые” гаражи) и
сельском строительстве. Также возможно его использование для устройства
межкомнатных перегородок, наружных стен (с привлечением керамического
кирпича, сайдинга и кругляка (бревна)), чердачных перекрытий и т.д.
Однако часто производимый легкий пенобетон (марок D500 и ниже)
характеризуется низким уровнем стабильности основных характеристик.
Водная составляющая, содержащаяся в цементном тесте, и вода в пене
существенно влияют на формирование структуры материала, особенно
пенобетона низкой плотности. Именно для таких “легких” смесей актуальны
вопросы нестабильности, расслоения фаз при укладке их в формы (в то же
самое время получение конструкционно-теплоизоляционных пенобетонов
(марка
D600
и
выше)
не
вызывает
возникновения
существенных
технологических
трудностей).
Очевидно,
что
на
сегодняшний
день
совершенствованием только технологического процесса не решить проблему
стабильности параметров качества пенобетона. В частности, в научных
разработках
специалистов
все
еще
остаются
открытыми
вопросы,
затрагивающие теоретическое обоснование механизма потери устойчивости
легких пенобетонных смесей с учетом гидродинамических факторов. Это
связано с трудностью освоения многокомпонентных неустойчивых систем, к
которым относятся данные композиции. Данные факты свидетельствуют об
отставании научно-исследовательской деятельности в области создания и
развития эффективных технологий производства пенобетона, а также
разработки теоретических предложений по повышению устойчивости
“легких” пенобетонных смесей.
Таким образом, разработка мероприятий по управлению процессами
структурообразования
неавтоклавных
теплоизоляционных
пенобетонов,
оптимизации технологии их производства, а также предложений для решения
проблемы расслоения “легких” пенобетонных смесей
приобретают в
настоящее время особую значимость и актуальность, способствуя созданию
качественного материала на основе цементного вяжущего.
В плане научных исследований выполнено следующее.
Проведен анализ литературных данных:
-
в области производства
и
формирования структуры легких
неавтоклавных пенобетонов (труды А.П. Меркина, М.Я. Кривицкого,
А.А. Ахундова, И.Б. Удачкина, В.И. Соломатова, П.Г. Комохова, Л.В.
Моргун, Ю.Д. Чистова и др. исследователей);
- по влиянию характеристик сырьевых компонентов и основных
технологических факторов на качество получаемого пенобетона и его
макроструктуру. Установлена недостаточная проработанность вопроса в
плане повышения стабильности легкой пенобетонной смеси.
Определено,
стабильности
что
свойств
параметры
качества
пенообразователя,
пенобетона
вяжущего,
зависят
от
тонкодисперсных
наполнителей, технологических факторов, в том числе - технологии
приготовления и условий твердения изделий.
В соответствии с технологией изготовления пенобетонов можно
выделить следующие стадии, которые существенно отличаются составом
взаимодействующих
фаз:
подготовка
пены
в
смесителе;
режим
пенобетоноприготовления; режим транспортировки пенобетонной смеси;
заливка смеси в форму; режим формообразования (так называемый
индукционный
период,
представляющий
важное
значение
для
формирования структуры в “легких” пенобетонных смесях) [1].
Потерю устойчивости легкого пенобетона можно рассматривать как на
микроуровне, т.е. отдельной межпоровой перемычке, так и на макроуровне –
по отношению к выделенному единичному объему. Решение второй задачи
позволило бы, на наш взгляд, определить количественную теоретическую
скорость расслоения пенобетонной смеси и выявить влияние на нее
различных факторов.
Наш
анализ
влияния
гидродинамических
факторов
на
процесс
устойчивости смеси (в индукционном периоде) [1 - 3] указывает на малое
количество работ в этой области.
Пенобетоны, изготовленные по литьевой технологии, имеют в своем
составе слабосвязанную воду, и процесс ее перераспределения начинается
после укладки смеси в форму (рис. 1). Она скапливается в нижней части
воздушных включений, увеличивая обводненность тех частиц твердой фазы,
которые находятся в прилегающей межпоровой перегородке. Когда
концентрация слабосвязанной воды достигает некой критической величины,
образуется бесконечный кластер по водной составляющей; вода под
действием сил гравитации устремляется на поддон, пленки становятся
тоньше, лопаются, и
происходит расслоение: газовая фаза устремляется
вверх, твердые частицы – вниз, на поддон формы, что приводит в конечном
итоге к расслоению и осадке пенобетонной смеси. Очевидно, что на процесс
заполнения бесконечного кластера водой влияет высота столба пены. Таким
образом, начало истечения жидкости - это спонтанный (перколяционный)
процесс. Зависимость времени начала истечения жидкости от высоты столба
пены можно спрогнозировать так, как представлено на рис.2 (здесь hc – порог
перколяции; ho – высота столба пены, выше которого процесс истечения
жидкости не зависит от h).
Рис. 1. Схема потери устойчивости “легкой” пенобетонной смеси.
Рис. 2. Перколяционные явления при истечении жидкой фазы
в “легкой” пенобетонной смеси.
Истечение свободной жидкости по бесконечному кластеру (рис.1)
приводит к утонению перемычек и образования фронта разрушения газового
пузыря. Практически необходимо стремиться к тому, чтобы величина hc была
больше по времени (столб пены устойчив). Для обеспечения устойчивости
пен
необходимо достижение кинетической устойчивости внутри пенной
матрицы за счет сродства частиц твердой фазы и пены. Это достигается
созданием условий для взаимного притяжения пузырьков воздуха и частиц
твердой фазы, благодаря действию электростатических взаимодействий.
Рекомендуется
домалывать цемент и
песок (а также
использовать
мелкодисперсные пески), применяемые для изготовления неавтоклавных
теплоизоляционных
пенобетонных
изделий,
вводить
в
смесь
тонкодисперсные наполнители - “минерализаторы” (карбонатсодержащие
отходы).
Существенное влияние на усадку смеси также оказывает В/Т. При его
снижении практически весь объем жидкой фазы сравнительно равномерно
заполняется твердыми частичками, и отсутствуют объемы жидкой фазы без
присутствия твердой. Напротив, при увеличении В/Т упаковка твердых
частичек в объеме жидкой фазы уже не в состоянии “забронировать” весь
свободный объем межпленочной жидкости. В результате уменьшается
устойчивость воздушных пузырьков и происходит усадка смеси.
В целом процессы в трехфазных системах (пенобетонах) существенно
отличаются от классических двухфазных твердо-жидкостных систем:
оценкой межфазных взаимодействий по границам фаз; взаимодействием
твердой и газовой фаз, приводящим как к дроблению газовой фазы, так и к
ее
минерализации
и
упрочнению;
стесненностью
фаз;
влиянием
поверхностных факторов; существенным влиянием гидродинамических
полей на формирование структуры капиллярно-пористого композита и т.д.
Учитывая это, предлагаем рассматривать двухфазную модель, состоящую из:
- несущей фазы (смеси, состоящей из свободной жидкости и твердой
фазы (частиц));
- газотвердожидкостной фазы (пузырьковой минерализованной фазы).
Действительно, при формировании структуры легкого пенобетона
газовая фаза является тем каркасом, на котором концентрируется твердая
фаза. Твердая фаза, кроме того, удерживается в области газовой поры
связанной водой. Так образуется комбинированный кластер из газовой поры
(пузыря), твердых частиц и связанной воды. Подобные кластеры и образуют
пористую систему, по каналам Плато которой и будет стекать свободная
вода. Присоединение твердых частиц к кластеру будет определяться
балансом
Ван-дер-ваальсовой,
электростатической,
расклинивающей
составляющими межчастичного взаимодействия, кинетической энергией
присоединенной
частицы.
При
значительной
кинетической
энергии
отдельная частица может разрушить кластер или под действием свободной
воды покинуть его зону. Частицы, не вошедшие в такие кластеры, будут
утолщать перемычку, т.е. тем самым способствуют увеличению плотности
пенобетона или кольматированию пор. Правомерность нашего перехода к
двухфазной системе находит подтверждение, например, в работах В.Н.
Феклистова [4].
В целом, решение вопросов о формировании макроструктуры легкого
пенобетона
требует
технологических
приготовления
более
факторов
глубокого
и
пенобетонной
более
смеси,
анализа
ее
зависимости
тонкого
соблюдения
состава
и
свойств
от
режимов
исходных
компонентов. Планируется продолжить развитие выбранного научного
направления в рамках дальнейшей работы.
Литература:
1.
Сидоренко
моделирования
Ю.В.
О
процессов
подходах
к
задаче
структурообразования
математического
пенобетонов.
//
Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы 5-й Международной
научно-практической конференции.- Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ (НПИ),
2005. – Ч.1.- С. 33 - 39.
2. Сидоренко Ю.В., Стрелкин Е.В. К вопросу о теоретических основах
структурообразования пенобетонов с учетом влияния гидродинамических и
поверхностных процессов. // Матерiали II Мiжнародноi науково-практичноi
конференцii “Науковий потенцiал свiту-2005”. Том 10.– Днiпропетровьск:
Наука i освiта. – Украiна. – 2005.- С. 21 - 26.
3.
Сидоренко Ю.В., Стрелкин Е.В. About the role of hydrodynamical
factors, influencing the gas phase of foam concretes. // Моделирование. Теория,
методы и средства: Материалы 5-й Международной научно-практической
конференции.- Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ (НПИ), 2005. – Ч.1.- С. 47 – 49.
4. Феклистов В.Н. К оценке формирования пенобетонной структуры
различной плотности. // Строительные материалы. – 2002.- №10.- С.16.