Новые технологии в производстве легких бетонов.
New technologies in manufacturing of light-weight concrete.


О новейших технологиях легких бетонов на различных заполнителях,  методах получения исходного сырья  и научных разработках в этой области.
 Легкие бетоны, модифицированный керамзитобетон, пористые заполнители, бетоны на основе золы ТЭЦ, торфяные заполнители, композитные материалы, микро армирование легких бетонов, стекловидные заполнители.
1. Керамзитобетоны модифицированные вторичным поливинилхлоридом.
Важной проблемой современности является создание новых материалов отличающихся повышенной универсальностью свойств, в частности разработка легких бетонов, предназначенных работать при воздействии различных факторов. Научно-исследовательские разработки  и опыт отечественного и зарубежного использования отходов полимеров в легких бетонах свидетельствуют о больших возможностях получения новых материалов обладающих рядом положительных строительно-технических свойств.
В результате исследований установлена целесообразность использования отходов поливинилхлоридов в конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах. Это позволило снизить требуемый расход цемента, улучшить стойкость бетона к кислотам, щелочам и мочевине.
Разработана оптимальная технология приготовления легко-бетонных смесей модифицированных вторичным поливинилхлоридом + дибутилфталат.
Для модификации структуры керамзитобетона был использован вторичный поливинилхлорид (ПВХ) - мелко измельченный отход производства дренажных гофрированных труб фракции 0,006-0,15 мм, более 90% которых составляет ПВХ. Для снижения хрупкости композиции, обеспечения равномерности перемешивания и снижения температуры плавления ПВХ предварительно смешивается с дибутилфталатом (ДБФ), выдерживается не менее 6 часов, после чего вводится в состав бетонной смеси на стадии перемешивания заполнителей.
В  качестве  объекта  модификации выбраны керамзитобетоны М75…М100(В5...В75) на различных   песках:  кварцевом, карбонатном и дробленном керамзитовом. Выбор различных типов песков обусловлен необходимостью расширить номенклатуру модифицированных бетонов.
.   Экспериментально оптимизирована следующая последовательность приготовления бетонов модифицированных отходами ПВХ:
1. Загрузка и перемешивание заполнителей совместно с композицией "ПВХ+ДБФ" и 1/3 воды.
2. Введение цемента с пластифицирующей добавкой и 1/3 воды.
3.Добавлять оставшаяся часть воды с воздухововлекающей добавкой. Общее время перемешивания составляющей 5-7 мин.
Введение пастообразной композиции "ПВХ+ДБФ" вместе с заполнителем обеспечивает равномерное распределение ее по объему керамзитбетона, при этом необходимо увеличивать время перемешивания на этой стадии на 1-1,5 мин, что приводит к полному разрушению "комков" ПВХ с агрегированными по поверхности частицами песка. Не разрушенные образования полимера при дальнейшем перемешивании с цементом, водой и добавками остаются в структуре бетонной смеси без изменений.
После формирования образцы подвергаются термообработке по различным температурно-временным режимам: тепловлажностной обработке по режиму: 4 часа предварительная выдержка, 3 часа подъем температуры, 5 часов изотермическая выдержка при Т=750С, 8 часов естественное остывание (4-3-5-8); сухой прогрев при Т=(140-150)0С по режиму 4-1,5-4,5-8.
Цель варьирования тепловых режимов - добиться оптимальных условий для плавления ПВХ, превращения его форм и омоноличивания дефектов структуры цементно-песчаной матрицы бетона.
Высокотемпературный прогрев изделий - наиболее эффективный способ термообработки для контрольных и модинфицированных образцов, как на кварцевом, так и на карбонатном песках. Следует отметить значительное возрастание прочности бетона после модификации и ярко выраженное уплотняющее действие композиции "ПВХ+ДБФ". Опытные формовки,  проведенные  на различных видах песков показали, что введение отходов ПВХ свыше 35 кг/м3 в состав бетонной смеси нецелесообразно, так как это не приводит  к существенному увеличению прочности керамзитобетона (рис.1.а).
При модификации отходами ПВХ керамзитобетона на пористом керамзитовом песке, установлено, что на керамзитобетоне плотной структуры без воздухововлекающих добавок эффект значительно снижается. Так, например, для поризованного керамзитобетона увеличение прочности после модификации составляет 100%, а для керамзитобетона плотной структуры 20%. Это обстоятельство связано, с возможностью заполнения поровой структуры бетона расплавленной композицией ПВХ, увеличивающейся в объеме в несколько раз по сравнению с объемом исходного, полимера. Кроме того, выделение летучих  веществ  при тепловой обработке (ТО) в большей степени разрыхляет структуру плотного бетона, чем поризованного.
Изменение плотности бетонов на кварцевом и керамзитовом песках при увеличении содержания ПВХ в целом также характеризуется экстремальными зависимостями с максимумом, приходящимся на содержание ПВХ в количестве 35 кг/м3 или около 60 л/м3 (рис. 1.б).
При этом следует отметить, что при увеличении плотности бетонов менее чем на 200 кг/м3, прочность при сжатии практически удваивается. Снижение плотности бетона при увеличении концентрации ПВХ вызвано разуплотнением структуры бетона выделяющимися в большом объеме газообразными продуктами.
Соотношение объемов ДБФ и ПВХ в период подготовки модифицирующей композиции должно быть близко к 0,3-0,5, так как снижение этой величины менее 0,3 приводит к комкуемости ПВХ в бетономешалке и неравномерности перемешивания по объему бетонной смеси.
При модификации отходами ПВХ керамзитобетона на пористом керамзитовом песке, установлено, что на керамзитобетоне плотной структуры без воздухововлекающих добавок эффект значительно снижается. Так, например, для поризованного керамзитобетона увеличение прочности после модификации составляет 100%, а для керамзитобетона плотной структуры 20%. Это обстоятельство связано, с возможностью заполнения поровой структуры бетона расплавленной композицией ПВХ, увеличивающейся в объеме в несколько раз по сравнению с объемом исходного, полимера. Кроме того, выделение летучих  веществ при ТО в большей степени разрыхляет структуру плотного бетона, чем поризованного.
2.Легкие бетоны на стекловидном заполнителе.
На прочность бетона влияет как прочность цемента, так и прочность заполнителей. Стекловидные заполнители, при равной средней плотности, обладают большей прочностью. Поэтому было найдено новое технологическое решение: использование стекловидных заполнителей. В результате исследований [1] зависимости предела прочности бетона от предела прочности заполнителей и вяжущего вещества, установлено, что замена керамзита стекловидными пористыми заполнителями повышает предел прочности на 10% относительно предела прочности бетона той же плотности, но с использованием керамзита. Таким образом, стало возможно сократить расход цемента на 10%.
Предложена новая оптимизация очередности загрузки исходных материалов  в бетоносмеситель по следующей схеме:

1. Крупный заполнитель.
2. Цемент.
3. 2/3 воды затворения
4. Пластификатор.
5. Мелкий заполнитель.
6. 1/3 воды затворения.
7. Воздухововлекающая добавка

Благодаря именно такой последовательности смешивания исходных материалов достигается увеличение предела прочности при сжатии на 10-15%. Данную схему рекомендовано применять при производстве легкобетонных смесей на стекловидных заполнителях.
Так же установлено, что водопотребление  бетонных смесей на стекловидных заполнителях имеют те же самые закономерности, что и  смеси с керамзитным заполнителем. Однако для пеностеклогрануляторов (ПСГ) и вспученного витрозитового гравия (ВВГ) отмечено снижение водопотребности на 10 л/м3, а для вспученного туфоаргиллитового гравия на 15 л /м3. Это связано с тем, что стекловидные заполнители меньше впитывают влагу. При увеличении содержания пористого песка и расхода цемента повышается водопотребность смеси. Это повышение может достигать 25 л/м3 для ПСГ и 50 л/м3 для ВВГ. Воздухововлечение, повышая удобоукладываемость бетонной смеси, позволяет снизить ее водопотребность до 10 л/м3. Пластификация, в зависимости от дозировки добавки, позволяет снизить водопотребность смеси до 35 л/м3.
На выходные свойства легкого бетона на стекловидных заполнителях так же существенно влияет режим последующей термовлажной обработки. Целесообразная продолжительность изотермического прогрева определяется временем, которое необходимо, что бы в центре изделия температура достигла 800 С.  Исходя из этого при изготовлении стеновых панелей в промышленных условиях следует  увеличить температуру изотермического прогрева до 8-10 часов при температуре изотермы 800 -1000О С.
Проанализировано   совместное изменение  влажности и прочности бетона и сделан вывод, что при рациональном режиме термовлажностной обработке бетона необходимо определять продолжительность изотермы, исходить из требуемой влажности, а не прочности, так как применение «жестких» режимов с быстрым нагревом резко ухудшают свойства бетона из за интенсивного развития деструктивных процессов, связанных с интенсивным расширением газовой фазы в структуре фактически свежеуложенного бетона. Этот процесс происходит на стадии, когда бетон еще не воспринимает возникающие при этом растягивающие напряжения.
Среднестатистическая зависимость «прочность-плотность» идентична для бетонов на ВТГ и ПСГ и превосходит керамзитобетон, особенно в области низких плотностей (до 700 кг/куб м). Как уже было замечено выше, это объясняется более высокой прочностью стекловидных заполнителей. Однако поризация растворной составляющей снижает предел прочности бетона при сжатии пропорционально объему вовлеченного воздуха (ВВ). Снижение прочности составляет 6 – 10% на один процент ВВ, в связи, с чем при использовании поризации, например, для регулирования паропроницаемости, целесообразно ограничивать величину ВВ в пределах 8 – 10%.
Таким образом, наиболее целесообразными областями применения заполнителей являются: ВТГ и ПСГ – для производства конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов классов В 2,5 – В 10 при средней плотности 600 – 1000 кг/м3, ВВГ – для производства конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов плотностью 700 – 1000 кг/м3 классов В 2,5 – В 10. Кроме того, все указанные заполнители эффективны для получения бетонов более высоких классов при повышенной плотности.
3.Легкие бетоны на торфозаполнителях.
Исследована [2] возможность использования в качестве заполнителей торф или растительное сырье. Так, для производства легкого бетона с плотностью до 550 кг/куб. м и коэффициентом теплопроводности менее 0.2-0.3 Вт/(м*оС) нужно ввести в его состав не менее 60% торфа или растительного сырья.  Гранулы торфа и других дисперсных волокнистых материалов растительного происхождения должны быть плотностью не более 300 кг/куб м. и прочностью при сжатии не менее 1,5-2 МПа.
Однако, применение торфа и других заполнителей породило другую проблему – выделение из заполнителей различных веществ, ухудшающих свойства бетона. Для решения этой проблемы технологией предусмотрено нанесение на поверхность гранул органического заполнителя гипсоизвестковой композиции при соотношении гипса и извести в соотношении (по массе) 90-75:10-25 либо полимерсиликатную композицию в соотношении натриевого жидкого стекла и ПВА в соотношении (по массе) 60-75:25-40.
Применение такого покрытия снижает водоцементное отношение на первом этапе твердения за счет водопоглощения крупного заполнителя. Затем за счет набухания гранул создается избыточное давление, которое уплотняет цементный камень. Так же за счет использования гипсоизвесткового покрытия обеспечивается упрочнение структуры бетона, увеличение микротвердости цементного камня  в зоне его контакта с гранулами торфа. Полимерсиликатная композиция консервирует гранулы и снижает отрицательное влияние редуцирующих веществ на свойства легкого бетона.
Для повышения качества композиционных материалов в их состав целесообразно ввести дисперсные микроармирующие кальцийсодержащие добавки, такие как волластонит и диопсид взамен 20-40% цемента. Это обеспечивает упрочнение структуры, повышение механической прочности и водостойкости бетона. Подобное действие добавок объясняется действием адсорбционного энергетического поля, возникающего при формировании органоминерального композита и микроармированием цементного камня.
Путем экспериментов установлено, что стены зданий, изготовленные из легкого бетона на основе гранулированных торфяных и других органических заполнителях теплее обычных легкобетонных стен в среднем на 5-5,5 О С, а влажность материалов на внутренней стороне ниже в 1,4-2 раза. При равной толщине стен термическое сопротивление таких зданий в 1,8-2,1 раза больше, а шумозащита в 2-3 раза. 

4.Легкие бетоны на основе зол ТЭЦ

Для производства легких бетонов используют так же природные пористые заполнители, в частности, щебень из пористых горных пород вулканического или осадного происхождения. Для увеличения прочности бетона зерна исходного материала, как правило, дробят, так как прочность мелких зерен больше, чем крупных.
В качестве наполнителей для легких бетонов так же использузют отходы от сжигания антрацита, каменного и бурого угля,  сланцев, золы, алгопорит на основе золы ТЭС и так называемый зольный гравий. Как правило, шлаки применяют после длительного вылеживания в отвале, порядка 3-6 месяцев. За это время в них гаситься свободный оксид кальция,  выщелачиваются соли и окисляются топливные остатки.
Перед добавлением в бетонную смесь шлаки обогащают, отсеивают мелкие фракции, несгоревшие частицы угля и другие вредные примеси.
Следует заметить, что производство бетона на основе зол ТЭЦ – наиболее динамично развивающаяся отрасль. Это связано с тем, что вторичное использование отходов производства не только значительно снижает производственные затраты, но так же способствует улучшению экологической обстановки в стране. Кроме того, использование золы ТЭЦ делает технологию производства легких бетонов доступным даже для предприятий малого и среднего бизнеса. В частности, за счет того, что применение зол ТЭЦ позволяет производить бетоны без использование молотого песка, производство которого часто не по силам малым предприятиям.
Раньше решения по разработке технологий легких бетонов на основе высококальциевых зол ТЭЦ от сжигания Канско-Ачинских углей были направлены на максимальное их введение в сырьевые смеси. Но это привело к неоправданно сложным и энергоёмким решениям (постоянное изменение дозировок и технологических режимов в соответствии с колебаниями свойств зол, обязательное пропаривание, иногда — помол компонентов или сушка изделий).  Поэтому предложенные технологии не было внедрены широко. Особенно трудно данные технологии было внедрять на малых предприятиях.
В результате исследований [3] было предложено использовать различные химические добавки, которые снижают чувствительность конечного продукта к составу и свойствам исходного материала (золы).  Такое снижение чувствительности было вызвано тем, что добавки  ускорили процесс газообразования, что ослабило возможные деструктивные явления.  Это было достигнуто за счет того, что добавки вступили в реакцию обмена и присоединения с составом золо-цементоной композии.             
Наиболее распространённые и доступные добавки такого типа — это хлорид и сульфат натрия. Принцип действия этих добавок следующий заключается в том, что для них характерно, то, что при взаимодействии с известью золы в присутствии алюминийсодержащих фаз портландцементного клинкера и высококальциевой золы должна происходить обменная реакция с образованием гидросульфо- и гидрохлоралюминатов кальция в виде фаз AFt и AFm.
nCaO + Ca3(AlO3)2 + 2nNaCl + (m + 1)H2O > 3Ca3(AlO3)2•nCaCl2•mH2O + 2nNaOH, (1)
nCaO + Ca3(AlO3)2 + nNa2SO4 + (m + 1) H2O > 3Ca3(AlO3)2•nCaSO4•mH2O + 2nNaOH,       (2)
где n = 1 или 3; m = 10–12 или 30–32.  
При этом будет ускоряться гидратация СаО свободной золы, и высвобождаться в поровый раствор щёлочь NaOH.
Применение химических добавок (таких как NaCl и Na2SO4) на этапе твердения еще сильнее улучшает прочность бетона. Так, добавка Na2SO4 ускоряет нарастание пластической прочности золо - цементной системы на 18 %. Добавка хлорида натрия также сокращает сроки набора пластической прочности (на 10 %), хотя и в меньшей степени, чем сульфат натрия.

 

Литература.

1. Давидюк Алексей Николаевич, диссертация «Конструкционно-теплоизоляционные Легкие бетоны на стекловидных пористых заполнителях», 2010 год
2. Хританков Владимир Федорович, диссертация «Легкие бетоны с гранулированным органическим заполнителем, направленно изменяемой структурой и микроармирующими  минеральными добавками», 2009 год.
3. Ю. В. Щукина, ст. преп.Г. И. Овчаренко, д. т. н., проф. Пенобетон на основе золо-цементных составов, 2009г,

 



 

 



 

 

Spirit of Time,
IUFS Press Center, House No. 4, St. Petersburg -193036,
Russia

Tel. 812-717-9605

E-mail: info@spiritoftime.net