Харківський державний технічний університет
будівництва та архітектури

Чубукін Роман Юрійович

УДК 666.973.6

Пінобетонні суміші одностадійного приготування
та ефективні безавтоклавні
бетони на їх основі

05.23.05 – будівельні матеріали і вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Терехов Борис Пилипович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, доцент кафедри фізико-хімічної механіки і технології будівельних матеріалів і виробів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дюженко Михайло Георгійович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри технології та механізації будівельного виробництва.

кандидат технічних наук, доцент Калінін Олег Анатолійович, Українська державна академія залізничного транспорту, доцент кафедри будівельних матеріалів, конструкцій та споруд.

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожний університет, кафедра будівництва і експлуатації автомобільних доріг, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 25 “__січня_______ 2007 р. о 14 30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002,
м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий “ 23 “ грудня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Ю.Крот

1

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За минуле десятиліття практика будівництва переконливо довела ефективність пінобетонів безавтоклавного твердіння (далі пінобетонів), як високотехнологічного матеріалу для огороджуючих конструкцій. З цього матеріалу виготовляють різноманітні стінові камені, теплоізоляційні елементи трубопроводів, легкий заповнювач для бетону, улаштовують теплоізоляційні покриття, заповнюють різноманітні порожнини та ін. Вироби з пінобетону мають покращене співвідношення теплоізолюючих показників та показників міцності у порівнянні з іншими будівельними матеріалами, що застосовуються для виготовлення огороджуючих конструкцій.

Про необхідність розвитку технології виробів з ніздрюватого бетону (в тому числі пінобетону) вказується в Постанові Кабінету Міністрів України від 26.04.2004 № 684 “Про затвердження програми розвитку виробництва ніздрювато бетонних виробів та їх використання на 2005 – 2011 роки”.

Таким чином, актуальність теми полягає у зниженні витрат палива на опалення приміщень, зменшенні собівартості будівництва за рахунок застосування пінобетону з покращеними фізико-механічними властивостями.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні і прикладні дослідження були здійснені в межах держбюджетної теми: „Розробка технології виготовлення і використання пінобетону” (номер державної реєстрації 0106U003254). Здобувач брав участь у проведенні експериментальних досліджень, аналізі отриманих результатів та в дослідно-промисловому впровадженні технології.

Мета дослідження. Підвищення функціональних характеристик пінобетону шляхом використання основних принципів відповідності технологічних та фізико-хімічних процесів при приготуванні пінобетонних сумішей для виготовлення конструкційно-теплоізоляційного пінобетону.

Задачі дослідження:

§ розробка фізичної моделі одностадійного приготування та безавтоклавного твердіння пінобетонної суміші на основі принципу відповідності, який пов’язує процеси гідратаційного структуроутворення з технологічними впливами при приготуванні пінобетонної суміші та бетону;

§ дослідження впливу добавок на основні технологічні властивості піноутворювачів (кратність та стійкість піни) при температурах розчинника в діапазоні 20…60 єС;

2

§ визначення впливу часу приготування пінобетонної суміші, інтенсивності гомогенізаційних впливів, температури суміші та співвідношення основних сировинних компонентів на фізико- механі-

чні властивості пінобетонних сумішей (строки схоплення і температура суміші) і пінобетонів (середня щільність, міцність на стиск та ін);

§ розробка технологічних рекомендацій по виготовленню пінобетонних сумішей та їх використанню для виробництва стінових каменів, а також конструкційно-теплоізоляційних елементів будівельних об’єктів;

§ визначення економічної ефективності використання пінобетонних виробів з пінобетонних сумішей безавтоклавного твердіння;

§ дослідно-промислове впровадження результатів дослідження.

Об’єкт дослідження. Процеси формування структури пінобетону при одностадійній гомогенізації пінобетонної суміші.

Предмет дослідження. Пінобетони безавтоклавного твердіння.

Методи дослідження. Визначення технологічних властивостей пінобетонної суміші та фізико-механічних характеристик пінобетонів виконано згідно зі стандартними методиками досліджень ніздрюватих бетонів та бетонних сумішей з використанням принципово нової технології гомогенізації сировинної суміші з оригінальною рецептурою.

Аналіз залежностей між параметрами технології, що досліджуються проводився з використанням комп’ютерної статистичної обробки результатів вимірів. Апроксимація лінійних залежностей між перемінними проводилася за методом найменших квадратів.

Наукова новизна одержаних результатів:

§ вперше запропонований метод одностадійного приготування пінобетонних сумішей, що розігріті насиченою водяною парою, у застосуванні до конструкційно-теплоізоляційного пінобетону безавтоклавного твердіння, який дозволяє до 30% підвищити міцність пінобетону у порівнянні з існуючими способами;

§ встановлено, що при одностадійному приготуванні пінобетонної суміші відбувається низка взаємопов’язаних фізичних та фізико-хімічних процесів: гомогенізація пінобетонної суміші, підвищення реакційної здатності частинок в’яжучого, залучення та рівномірний розподіл у суміші атмосферного повітря;

§ доведено, що формування ефективних фізико-механічних властивостей пінобетону (підвищеної міцності на стиск при певній середній густині та теплопровідності) визначається інтенсивністю впливу комплексу зовнішніх фізичних чинників (механічного і термічного) під час гомогенізації сировинної суміші;

3

§ встановлена залежність впливу кількості добавок в піноконцентрат на фізико-механічні властивості технічної піни та пінобетону; використання добавок разом з інтенсивним механічним впливом та розігрівом пінобетонної суміші дозволяє покращити технологічні властивості суміші та експлуатаційні властивості пінобетону.

Практичне значення роботи. Методом багатокритеріальної оптимізації за міцністю визначені склади сировинної суміші та режими одностадійного приготування ефективних пінобетонних сумішей для виготовлення конструкційно-теплоізоляційного пінобетону.

За результатами роботи на ТОВ „Агробуд” смт. Краснокутськ Харківської обл. були виконані виробничі дослідження технологічних рішень, що пропонуються.

Особистий внесок здобувача:

§ сформульовано основні принципи формування структури пінобетонної суміші при одностадійній гомогенізації [4];

§ вивчено конструктивні схеми обладнання для виготовлення пінобетону [1, 6, 7];

§ вивчено вплив температури робочого розчину піноконцентрату і добавок до нього на технологічні якості розчину [3];

§ дана оцінка впливу технологічних параметрів гомогенізації пінобетонної суміші на властивості конструкційно-телоізоляційного пінобетону [2, 5].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися на наукових конференціях викладачів та співробітників ХДТУБА (м.Харків 2001-2006 рр.); всеукраїнській науково-практичній конференції „Сучасні технології та обладнання для енерго-, ресурсозбереження. Альтернативні джерела енергії в житлово-комунальному господарстві” (м.Харків, 2006 р.)

Публікації. На тему дисертації опубліковано 7 робіт, в тому числі 6 статей у виданнях за переліком ВАК України і 1 теза доповідей у матеріалах всеукраїнської конференції „Сучасні технології та обладнання для енерго-, ресурсозбереження. Альтернативні джерела енергії в житлово-комунальному господарстві” (м.Харків, 2006 р.).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, списку використаних джерел з 137 найменувань, а також додатків. Загальний обсяг дисертації 166 сторінок, в тому числі 154 сторінки основного тексту, 29 рисунків, 24 таблиці і 6 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета і завдання дослідження, розкрита наукова новизна, показана практична цінність одержаних результатів досліджень, особистий внесок автора, наведені відомості про апробацію та структуру дисертації.

4

В першому розділі проаналізовані відомі способи підвищення міцності настиск пінобетонів, а також механізми інтенсифікації структуроутворення цементного каменю при турбулентній гомогенізації сировинної суміші та її розігріві водяною парою в процесі перемішування.

Аналіз робіт В.І. Большакова, В.І. Бабушкіна, А.А. Брюшкова,
В.М. Вирового, Ю.О. Закорчемного, Б.М. Кауфмана, Д.П. Кисельова,
М.Я. Кривицького, П.В. Кривенка, Г.Ю. Ковальчук, Е.В. Кондращенко,
В.О. Мартиненка, В.І. Мартинової, А.П. Меркіна, Т.Н. Назарової,
О.Н. Петропавловського, І.М Пастернак, А.А. Постернака, В.А. Пушкаренко, Ю.К. Резникова, Л.М. Розенфельда, Б.П. Терехова, Б.І. Удачкіна,
О.В. Числицької, В.В. Чистякова, О.О. Шишкіна, А.Н. Юндіна, Ю.Л. Ямова та ін. дозволив виявити такі способи міцності на стиск пінобетону: застосування цементів високих марок, використання комбінованих в’яжучих з застосуванням вапна, металургійних шлаків, рідкого скла, гіпсу, використання добавок-стабілізаторів пінобетонної суміші, використання хлориду кальцію як прискорювача твердіння, зниження витрат ПАР для утворення ніздрюватої структури. Питання формування пінобетонної суміші під впливом комплексних фізичних впливів на стадії гомогенізації залишаються невирішеними.

Физико-механічні основи формування структури бетону під дією зовнішніх силових факторів детально досліджувалися В.Н. Вировим, В.В. Чистяковим, О.П. Мчедловим-Петросяном, В.Л. Чернявським, М.Ш. Файнером. За даними дослідників, дія цих факторів супроводжується появою дефектів структури в’яжучого і заповнювача, залученням в процеси структуроутворення реліктових зерен цементу, появою частинок активного кремнезему, це призводить до зміцнення мінеральної матриці.

Аналіз робіт М.В. Афанасьєва, Г.Р. Вагнера, Н.Н. Руденко, О.А.Гершберга, Ю.Г. Хаютіна, В.В. Опєкунова, Ф.А.Лапіра, Д.С.Міхновського, С.А. Миронова, Ю.П. Клюшника, V.M. Malhotra, H.F. Taylor та ін. дозволив систематизувати фізичні способи інтенсифікації структуроутворення суміші протягом гомогенізації та початкової стадії твердіння бетонної суміші. Основними способами є: збільшення температури пінобетонної суміші під впливом електричного струму, насиченої водяної пари, струменів повітря з високим тиском, турбулентна та віброгомогенізація сировинної суміші, вплив на бетонну суміш електричними або електромагнітними імпульсами. Зовнішній фізичний вплив на суміш дозволяє збільшити питому поверхню компонентів суміші, що призводить до збільшення структурної міцності пінобетону, особливо на початковій стадії твердіння, та підвищити однорідність пінобетонної суміші.

Розігрів бетонної суміші електричним струмом або насиченою водяною парою призводить до зменшення строків її тужавіння, збільшення структурної

5

міцності на початковому періоді до 80% порівняно з бетоном природного твердіння.

Дослідженнями Л.М. Розенфельда, В.К. Тихомірова, Г. Зюнтага та К. Штренге встановлено, що термічний вплив на розчин ПАР в діапазоні 18-50 ?С призводить до збільшення кратності піни до 50%, подальше підвищення температури розчину призводить до руйнування структури піни.

На основі аналізу літературних даних сформульована робоча гіпотеза досліджень: збільшення міцності пінобетону на стиск можливе шляхом сумісного впливу турбулентної гомогенізації та паророзігріву при приготуванні пінобетонної суміші, що дозволить інтенсифікувати процеси твердіння пінобетону та отримати пінобетон з малими чарунками залученого повітря.

У другому розділі розглянуті теоретичні основи формування структури пінобетону при турбулентній гомогенізації. Затверділий пінобетон являє собою систему замкнутих бульбашок повітря сферичної або поліедричної форми розміром (1,5-2,5 мм ), розділених міжпоровими перетинками.

Міжпорові перетинки складаються з: адсорбованих молекул ПАР на поверхні розділу фаз рідина-газ, дрібного заповнювача, молекул ПАР, адсорбованих на поверхні частинок в’яжучого та заповнювача тіл, продуктів гідратації цементу.

Взаємодія між складовими структури пінобетону визначає фізичні властивості виробів з нього (міцність при стисканні, середня щільність, теплопровідність та ін.).

Припустивши, що масив пінобетону навантажений рівномірно розподіленим навантаженням (р), з використанням рівняння Лапласа (1) визначена залежність нормальних меридіональних (уц) та окружних напружень (уи ) від радіуса бульбашки залученого повітря (R) та половини товщини міжпорової перетинки (h):

(1).

З (1) виходить, що сумарна величина напруги уц та уи прямо пропорційна зовнішньому навантаженню та радіусу бульбашок залученого повітря.

Зі збільшенням радіусу кривизни бульбашок різниця розмірів у товщині міжпорових перетинок та каналів Плато у пінобетоні призводить до зниження міцності пінобетону за рахунок утворення зон з підвищеною концентрацією внутрішньої напруги. З урахуванням зазначених положень визначені вимоги до структури пінобетону з підвищеною міцністю та ефективні способи зовнішнього фізичного впливу на пінобетонну суміш під час гомогенізації (рис. 1).

6

Рис. 1. Способи створення структури пінобетону

Для одержання потрібної структури пінобетону розроблена схема турбулентного багатообертового змішувача (рис. 2), який дозволяє одержувати пінобетонну суміш шляхом сумісної гомогенізації цементу, заповнювача, води та розчину ПАР при одночасному розігріві суміші насиченою водяною парою (заявка № а 2005 06837 від 23.10.2005). Експериментальний зразок турбулентного багатообертового змішувача дозволяє отримувати суміші для виготовлення пінобетонів густиною 600 -1200 кг/м3, при частоті обертання ротора 500 – 1250 об/хв та температурі суміші до 60°С.

Процес отримання пінобетонної суміші проходить у два етапи: на першому етапі проходить інтенсивне диспергування компонентів пінобетонної суміші, що супроводжується активним залученням повітря. В міру збільшення кількості залученого повітря зростає роль гомогенізаційних процесів, яка супроводжується утворенням вихрової воронки та інтенсивним диспергуванням бульбашок залученого повітря. З використанням засад теорії удару встановлено, що для режимів роботи змішувача в межах кутової швидкості ротора 50...12,5с?№ на цементну частку діє сила 0,39...1,64 Н. Доведена достатність прийнятих енергетичних впливів на частку в’яжучого для видалення новоутворень з поверхні частинок. Цей процес призводить до інтенсифікації твердіння пінобетонної суміші та формуванню міжпорових перетинок з підвищеною міцністю.

7

Рис. 2. Схема турбулентного багатообертового змішувача:
1 – рама, 2 – двигун, 3 – змішувальна чаша, 4 – пульт керування,
5 – вертикальний лопатевий вал (ротор), 6 – вертикальний стержень,
7 – кришка змішувальної чаші, 8 –гвинт затискання кришки, 9 – розвантажувальний патрубок, 10 – балон високого тиску, 11 – ТЕН,
12 – гумовий рукав високого тиску, 13 – манометр, 14 – кран, 15 – пасова передача, 16 – нерухомі лопаті

Гомогенізація сировинної суміші супроводжується збільшенням концентрації дислокацій на поверхні часток цементу, які є центром протікання хімічних реакцій. Згідно з розрахунками, із збільшенням кутової швидкості посилюється вплив відцентрових сил на пінобетонну суміш, що призводить до видалення з суміші бульбашок повітря, і щільність пінобетонної суміші зростає.

Аналіз гідродинаміки процесів гомогенізації пінобетонної суміші дозволив встановити, що при збільшенні кутової швидкості в діапазоні 50…125 с-1 змінюється характер течії потоку пінобетонної суміші в змішувачі. Про це свідчать більш великі значення критерія Фруда (Fr) , який характеризує інтенсивність вихрового руху рідини порівняно з критерієм Рейнольдса (Re), який характеризує ступінь турбулентності потоку. Вказані критерії пропорційні квадрату та першому ступеню кутової швидкості відповідно (2, 3).

8 |

, | (2)

, | (3)

де щ – кутова швидкість потоку;

d – діаметр потоку;

гсум – густина потоку;

зе – еквівалентна в’язкість потоку;

g – прискорення вільного падіння.

Збільшення еквівалентної в’язкості потоку, наприклад, за рахунок введення до складу суміші органічних добавок–стабілізаторів, призводить до підвищення стабільності пінобетонної суміші та зменшення турбулентності потоку і, як наслідок, зниження ефективності зовнішнього фізичного впливу. Впливаючи на інтенсивність режимів гомогенізації, можна отримувати пінобетон з потрібною структурою.

На основі принципу відповідності щодо об’єктів в будівельному матеріалознавстві (О.П. Мчедлов-Петросян) встановлено, що інтенсивність процесів отримання пінобетонної суміші визначається абсорбційними взаємодіями в системах: а) ПАР-цемент; б) вода-цемент; в) заповнювач-цемент; г) ПАР-вода. Характер взаємодії та їх кінетика визначається хімічною будовою та властивостями навколишнього середовища. Характер адсорбційних взаємодій за схемами а), г) визначається будовою молекул ПАР. Найбільшу абсорбційну здатність мають молекули органічних речовин з 14-16 атомами вуглецю в вуглеводневому радикалі. Нижчі гомологи не можуть створювати міцні сполуки на поверхні поділу фаз, для вищих гомологів зменшення їх абсорбуючої здатності пояснюється зменшенням їх розчинності у воді.

Взаємодії за схемами б), в) викликають утворення кристалогідратів і інших сполук, які визначають міцність міжпорових перетинок.

Швидкість реакцій визначається константою швидкості реакції в системі voc (4) та швидкістю дифузії компонентів через суміжний шар реагуючих часток, який визначається константою дифузії КД (5): |

, | (4)

9

де Ск- концентрація елементарних часток, що беруть участь в реакції;

?Fmax- робота, затрачена на утворення зародку;

К- стала Больцмана;

Т- температура;

е – основа натурального логарифму.

, | (5)

де К'- константа, що залежить від умов протікання процесів реакції та властивостей реагентів;

D- коефіцієнт дифузії;

Co- концентрація шару, що дифундує, на зовнішньому боці продукту;

R3- радіус цементної частки;

E- енергія розпушення шару продуктів реакції.

Комплексний фізичний влив на суміш, яка гомогенізується, згідно з формулами (4,5), сприяє збільшенню швидкості хімічних реакцій, розпушуванню шару продуктів реакції та видаленню їх з зони реакційного впливу.

Розроблена методика визначення складу сировинної суміші та виконаний аналіз її складу при одностадійному приготуванні в умовах розігріву насиченою водяною парою. При розрахунку кількості сировинних компонентів враховано, що кількість потрібної води, що додається до суміші, складається з кількості холодної води затворення та кількості конденсату водяної пари, який використовується для розігріву суміші. Теоретичними дослідженнями
(табл. 1) доведено, що кількість потрібного конденсату при розігріві суміші до 50 ?С складає 9% від кількості води затворення та зменшується при зниженні щільності пінобетону та зменшенні температури пінобетонної суміші.

Таблиця 1

Витрати рідинної складової в залежності від механічних показників та витрат сировинних матеріалів

Щільність, кг/м3 | Цемент, кг | Пісок,
кг | В/Ц | Вода затворення/конденсат,кг

Температура суміші, єС | 20 | 30 | 40 | 50 | 600 | 420 | 110,27 | 0,5 | 260/0 | 255/4,5 | 251/9,3 | 245/14,25 | 800 | 450 | 263,54 | 0,47 | 250/0 | 245/5,9 | 238,5/11,5 | 232,7/17,3 | 1000 | 475 | 420,88 | 0,40 | 225/0 | 199/6,1 | 212,8/12,2 | 206,3/18,7 |

10

В третьому розділі наведені вимоги до матеріалів та методика проведення експериментів. В якості сировинних матеріалів використовувалися портландцемент ПЦ-І-500 Н виробництва ВАТ „Балцем”, пісок Безлюдівського

родовища, вода питна, піноутворювачі ТЕАС-М, ПО-6ОСТ, Піностром, добавки ПВА-М, скло рідке натрієве, КС-3.

В лабораторних експериментах за стандартними методиками визначалася щільність пінобетонної суміші та пінобетону, міцність на стиск зразків, рухливість суміші та її температура, а також теплопровідність пінобетону.

Наведена схема лабораторного обладнання для одержання пінобетонних сумішей та методика обробки експериментальних даних і планування експерименту.

В четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень по визначенню впливу параметрів процесу гомогенізації на технологічні властивості пінобетонної суміші та фізичні властивості пінобетону.

Був визначений вплив температури (рис. 3) та кількості добавок до піноутворювача на властивості технічної піни.

а) | б)

Рис. 3. Вплив температури на :
а) стійкість піноутворювачів; б) витрати піноутворювачів

Результати досліджень довели, що властивості піноутворювачів залежать від їх хімічної будови. Найбільшу стійкість має піноутворювач ПО6-ОСТ, більш низьку стійкість - ТЕАС-М та

11

Піностром. Витрати піноутворювачів знижуються зі збільшенням температури в діапазоні 18… 60єС.

Досліджено вплив добавок на стійкість піноутворювачів. В результаті встановлено, що введення до складу піноутворювача 2,5%-вого розчину добавок збільшує стійкість піни в 4…7 разів пропорційно кількості розчину, що додається. Встановлено, що хімічний склад добавок по-різному впливає на стійкість піни. Так, застосування добавок з лужною реакцією водяного розчину (силікат натрію, КС-3) збільшує стійкість піни, добавки з кислим середовищем водяного розчину (ПВА-М) її знижують.

Взаємодія полярних груп ПАР з ОН- іонами покращує адсорбуючу здатність, а підвищення в’язкості робочого розчину піноконцентрату перешкоджає синерезису піни і тим самим забезпечує стабільну стійкість пінної структури.

Для вивчення ефективності прийнятого способу виробництва було досліджено вплив різних способів нагріву пінобетонної суміші на міцність при стисненні пінобетону віком 7 та 28 діб(рис. 4). Режими термообробки:

1. Приготування суміші без нагріву при температурі навколишнього середовища 18...21?С (базовий).

2. Нагрівання твердих компонентів суміші (цементу та піску) до температури 68...71?С в сушильній шафі та затворення їх водою при температурі 19...20?С з подальшим приготуванням суміші.

3. Нагрівання всіх компонентів суміші (цементу, піску та води) до 68..71?С з подальшим приготуванням суміші.

4. Нагрівання сухих компонентів суміші парою в змішувачі до 67...72?С з подальшим затворенням водою з добавками при температурі 18...19?С.

5. Нагрівання суміші в процесі приготування парою до температури 39..42?С.

Приріст міцності зразків у способі 5 пояснюється інтенсивним розігріванням пінобетонної суміші протягом всього циклу гомогенізації, в той час як за інших способів гомогенізації температура сировинної суміші знижується протягом циклу на 9-37 єС.

Були виконані дослідження теплопровідності пінобетонів різної густини:

Густина пінобетону, кг/м3 | Теплопровідність, Вт/мК

600 | 0,15

800 | 0,23

1000 | 0,3

12

Рис. 4. Вплив інтенсивності нагрівання на міцність пінобетону

Був досліджений вплив температури нагрівання пінобетонної суміші на інтенсивність тужавлення та міцність пінобетону в віці 2, 7, 14, 28 діб (табл. 2).

Таблиця 2

Вплив режиму термообробки пінобетонної суміші на темп тужавлення та міцність на стиск пінобетону

№
п/п | Середня

щільність пінобетону
кг/м3 |

Середня температура

розігрівання суміші,С | Строки тужавлення, хв. | Міцність на стиск, МПа

Початок | Кінець | Час твердіння, діб

2 | 7 | 14 | 28 | 1 | 600 | 20 | 150 | 419 | 0,6 | 1,1 | 1,32 | 1,53 | 800 | 134 | 390 | 0,7 | 2,56 | 3,29 | 3,46

1000 | 102 | 341 | 0,9 | 4,56 | 6,18 | 7,46 | 2 | 600 | 40 | 128 | 354 | 0,7 | 1,71 | 1,91 | 2,03 | 800 | 105 | 321 | 0,75 | 3,6 | 4,09 | 4,13 | 1000 | 86 | 261 | 1,1 | 6,14 | 7,56 | 8,35 | 3 | 600 | 60 | 98 | 291 | 0,96 | 1,98 | 2,18 | 2,26 | 800 | 84 | 269 | 1,05 | 3,84 | 4,58 | 4,65 | 1000 | 76 | 204 | 1,15 | 7,76 | 8,84 | 9,12 | 13

Дослідження довели, що збільшення температури розігріву суміші в діапазоні 20...60?С призводить до відповідного прискорення набору міцності. Ефективність нагрівання пінобетонної суміші залежить від щільності пінобетону і збільшується при збільшенні щільності з 600 до 1000 кг/мі. Це може бути пояснено зменшенням кількості розчину піноконцентрату, що вводиться для поризації суміші, а також підвищенням концентрації цементу та піску в міжпорових перетинках.

В роботі було досліджено вплив кутової швидкості змішувача та часу перемішування на щільність та міцність пінобетонів віком 7, 14, 28 діб. В серії експериментів суміш розігрівали за допомогою водяної пари до температури 39...42?С. Час перемішування складав 29...31 с після заповнення робочого об’єму змішувача (табл. 3).

Таблиця 3

Вплив кутової швидкості та часу перемішування пінобетонної суміші на щільність та міцність пінобетону

№ досліду | Кутова швидкість,
с-1 | Час перемішування,
с | Міцність на стиск, МПа | Щільність,
кг/м3

7 діб | 14 діб | 28 діб | 7 діб | 14 діб | 28 діб

Щільність пінобетону 600 кг/м3 1 | 50 | 208 | 0,9 | 1,5 | 1,95 | 734 | 652 | 634 | 75 | 152 | 1 | 1,8 | 2 | 719 | 641 | 616 | 100 | 107 | 1,1 | 1,9 | 2,1 | 705 | 637 | 605 | 125 | 84 | 1,2 | 2,0 | 2,2 | 700 | 690 | 642 | Щільність пінобетону 800 кг/м32 | 50 | 184 | 1,9 | 2,9 | 3,4 | 1084 | 986 | 917 | 75 | 131 | 2,3 | 3,2 | 3,6 | 1016 | 950 | 861 | 100 | 96 | 2,4 | 3,5 | 3,8 | 976 | 875 | 807 | 125 | 73 | 2,6 | 3,6 | 3,9 | 952 | 927 | 854 | Щільність пінобетону 1000 кг/м33 | 50 | 153 | 3,9 | 5,2 | 5,4 | 1320 | 1261 | 1206 | 75 | 124 | 4,2 | 5,3 | 5,8 | 1232 | 1186 | 1121 | 100 | 89 | 4,4 | 5,8 | 6,1 | 1186 | 1137 | 1020 | 125 | 69 | 4,7 | 6,1 | 6,5 | 1286 | 1234 | 1134 |

Наведені в табл. 3 дані дають підставу для висновку, що зі збільшенням частоти обертання ротора в діапазоні 50...125с?№ цикл гомогенізації зменшується на 12-21%, приріст міцності збільшується зі збільшенням щільнос-

14

ті пінобетону. Щільність пінобетону зменшується на 9...15% протягом твердіння 7...28 діб, за рахунок зменшення вологості зразків.

При дослідженні режимів приготування пінобетонної суміші було встановлено вплив тривалості перемішування при певній частоті обертання ротору на щільність пінобетону. Експериментальні дані дозволили встановити функціональну залежність щільності та міцності пінобетону від часу перемішування.

Для визначення впливу хімічних (витрати цементу та добавки) та фізичних (частота обертання ротора, температура суміші) чинників на міцність конструкційно-теплоізоляційного пінобетону густиною 800 кг/м3 проведені багатофакторні експерименти (рис.5). Експерименти дозволили встановити вплив залежності кількості в’яжучого та інтенсивності зовнішнього фізичного впливу (6) та фізико-хімічних чинників (7) на міцність пінобетону. Діапазони змін факторів: вмісту цементу (Х1) – 400…500 кг/мі, частоти обертання ротора (Х2) – 500…1000 об/хв, температури суміші (Х3) – 20.. 60 єС, витрат добавок (Х4) – 0,5…1,5% від маси цементу.

У=2.93+0,3·Х1+0,06·Х3-0,637·Х22-0,102·Х32+0,07·Х1·Х2 (6),

У=2,6+0,29·X1+0,19·X4-0,37·X22-0,24·X42 (7).

а) |

б)

Рис.5. Вплив фізико-хімічних чинників на міцність конструкційно-теплоізоляційного пінобетону при фіксованій кількості цементу: а) вплив температури нагрівання суміші та частоти обертання ротору змішувача; б) вплив кількості домішки та частоти обертання ротору змішувача

15

Отримані рівняння регресії (6, 7) визначення дозволяють встановити оптимальні витрати основної складової сировинної суміші, режими гомогенізації сировинних компонентів. За допомогою аналізу експериментальних даних встановлено, що частота обертання ротору змішувача – фізичний чинник, який найбільш ефективно впливає на процеси структуроутворення пінобетону.

В п’ятому розділі на основі залежностей (6, 7) розроблена комп’ютерна програма на мові Visual Basic для визначення необхідних технологічних параметрів виробництва пінобетону. Розроблені технологічні рекомендації з виробництва розігрітої пінобетонної суміші та виробів з неї. Визначена собівартість виробів з розігрітого пінобетону, собівартість улаштування покриттів з конструкційно-теплоізоляційного пінобетону. Розрахована економічна ефективність впровадження результатів досліджень, яка складає 548800 грн. на рік.

Результати досліджень упроваджені ТОВ „Агробуд” смт. Краснокутськ Харківської області. Підприємством виконана укладка дослідно-промислової партії монолітного пінобетону об’ємом 30мі протягом 1 тижня для теплоізоляції підлог одноповерхових житлових будинків.

В додатках наведені результати експериментальних досліджень та копії документів, що підтверджують ефективність впровадження результатів досліджень.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз впливу існуючих складів сировинних сумішей та технологічних режимів приготування, формування та твердіння пінобетонних сумішей на фізико-механічні властивості пінобетону показав, що одним з найбільш ефективних способів приготування є турбулентна гомогенізація за одночасного розігріву насиченою водяною парою суміші, яка дозволяє отримувати пінобетон з покращеними фізико-механічними характеристиками.

2. Інтенсивний динамічний вплив на пінобетонну суміш та розігрів її насиченою водяною парою під час гомогенізації дозволяє підвищити швидкість процесів гідратації цементу та зростання новоутворень, знизити густину пінобетону за рахунок пластифікуючої дії насиченої водяної пари на пінобетонну суміш, внаслідок чого можливо знизити енергетичні витрати на отримання пінобетону безавтоклавного твердіння.

3. Встановлено, що гранична міцність на стиск пінобетону під дією зовнішніх навантажень обумовлена його структурною будовою; виникненням розтягуючих та стискаючих нормальних внутрішніх напруг в міжпорових

16

перетинках. Співвідношення між напругами в значній мірі залежить від радіусу бульбашок. залученого повітря. Під час утворення пінобетонної суміші в турбулентному змішувачі на першій стадії відбувається інтенсивне залучення повітря та розчинення цементного в’яжучого, на другій – гомогенізація сумішіі та формування структури з дрібними порами. На кожній стадії шляхом зміни технологічних параметрів гомогенізації можливе регулювання процесів в системі “прогідратоване в’яжуче - заповнювач”, що забезпечує зниження витрат піноконцентрату та отримання пінобетону стабільної структури.

4. Фізико-механічні характеристики пінобетону обумовлені адсорбційними взаємодіями в системі “в’яжуче – пісок – вода - ПАР”. Ступінь адсорбційних взаємодій в цій системі обумовлена кількістю активних центрів на поверхні твердих компонентів, що взаємодіють.

5. Експериментальними дослідженнями впливу температури нагрівання суміші при гомогенізації, часу гомогенізації та частоти обертання ротору на фізико-механічні властивості конструкційно-теплоізоляційного пінобетону встановлено: комплексний фізичний вплив на сировинну суміш забезпечує приріст міцності на стиск пінобетону в діапазоні 12...31 % в залежності від інтенсивності впливу та щільності пінобетону.

6. Встановлено, що потрібна кількість піноконцентрату залежить від температури робочого розчину та хімічного складу концентрату. Так підвищення температури робочого розчину дозволяє знизити виртати концентрату на 29...56 % в залежності від хімічного складу піноутворювача.

7. Отримані нелінійні кореляційні залежності міцності пінобетону на стиск від витрат цементу, частоти обертання ротора змішувача, витрати добавки, які дозволяють залежно від властивостей вихідних матеріалів та характеристики технологічного обладнання визначати оптимальні технологічні режими та склад сировинної суміші. Результати експериментальних досліджень підтверджують теоретичні розрахунки, розроблені на базі основних положень фізичної хімії.

8. Розроблені рекомендації з технології пінобетонів з пінобетонних сумішей, що розігріті насиченою водяною парою, для виготовлення пінобетонних виробів та улаштування монолітних елементів будівлі.Техніко-економічний аналіз використання конструкційно-теплоізоляційних пінобетонів дозволив встановити, що собівартість виготовлення пінобетонних виробів зменшується на 19 %, капіталовкладення зменшуються на 11% порівняно з базовим варіантом.

Визначена структура витрат на виготовлення монолітних теплоізоляційних покриттів. Результати досліджень використані ТОВ “Агробуд“ смт. Краснокутськ, Краснокутського району Харківської області для улаштування монолітної теплоізоляції житлових будівель.

17

Основні положення дисертаційної роботи викладені в таких публікаціях:

1.Терехов Б.П., Федоров Г.Д., Савченко О.Г., Крот О.Ю.,Чубукін Р.Ю. Специфіка обладнання змішування пінобетону // Науковий вісник будівництва.-Харків:ХДТУБА: ХТОВ АБУ, 2001. Вип.13. - С.249-253.

2. Чернявский В.Л, Терехов Б.Ф, Чубукин Р.Ю. Экспериментальные исследования пенобетонов из пенобетонных смесей одностадийного приготовления// Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА: ХТОВ АБУ, 2006, Вип.35.-С.69-71.

3. Чернявский В.Л, Терехов Б.Ф, Чубукин Р.Ю. Влияние температуры и добавок на пенообразующие свойства пенообразователей для производства пенобетона из пенобетонных смесей одностадийного пригтовления// Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА: ХТОВ АБУ, 2006, Вип.36.-С.86-90.

4. Чернявский В.Л, Терехов Б.Ф, Чубукин Р.Ю. Теоретические основы одностадийного приготовления активированных пароразогретых пенобетонных смесей// Коммунальное хозяйство городов.-К.:Техніка, 2006. Вып. 72. - С. 103-106.

5. Чернявский В.Л, Терехов Б.Ф, Чубукин Р.Ю. Эффективные конструкционно-теплоизоляционные пенобетоны на основе активированного вяжущего// Проблеми та перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово-комунального господарства: матеріали ІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції. - Алушта: ХО НТТ КГ та ПО, ХНАМГ, 2006. – С. 103-105.

6. Чернявский В.Л, Терехов Б.Ф, Чубукин Р.Ю. Новое оборудование для приготовления пенобетонных смесей// Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА: ХТОВ АБУ, 2003. Вип.20. - С.115-118.

7. Чернявский В.Л, Терехов Б.Ф, Терехов А.Ф. Чубукин Р.Ю. Совершенствование оборудования по технологии пенобетона неавтоклавного твердения// Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА: ХТОВ АБУ.
2004. Вип.25. - С.224-228.

АНОТАЦІЯ

Чубукін Роман Юрійович Пінобетонні суміші одностадійного приготування та ефективні безавтоклавні бетони на їх основі. – Рукопис

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали і вироби. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2006.

18

Запропоновано спосіб одностадійного приготування пінобетонних сумішей, що передбачає розігрів пінобетонної суміші насиченою водяною парою під час гомогенізації, завдяки чому забезпечується збільшення міцності на стиск піно- бетонних виробів на 12 – 31%.

Розглянуто фізичні закономірності формування структури пінобетонної суміші під час гомогенізації. Фізико-хімічні основи твердіння сировинної суміші. Розроблені теоретичні основи підбору складу пінобетонної суміші. Експериментально досліджено вплив добавок-клеїв на стійкість технічної піни. Досліджено вплив параметрів гомогенізації на технологічні властивості пінобетонних сумішей та фізико-механічні властивості пінобетонів. Розроблені технологічні рекомендації та визначена економічна ефективність шодо виготовлення пінобетонних виробів і улаштування монолітних покриттів з пінобетону.

Ключові слова: пінобетон, пінобетонна суміш, міцність на стиск, теплопровідність, турбулентна гомогенізація, розігрів суміші водяною парою, сировинні суміші, піноконцентрат, добавки.

АННОТАЦИЯ

Чубукин Роман Юрьевич. Пенобетонные смеси одностадийного приготовления и эффектиктивные безавтоклавные бетоны на их основе. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию возможности получения пенобетонов безавтоклавного твердения с повышенными прочностными характеристиками при одностадийном приготовлении пенобетонной смеси с одновременным разогревом смеси насыщенным водяным паром.

Теоретически доказано, что пенобетон с повышенными прочностными характеристиками должен обладать структурой с мелкими ячейками вовлеченного воздуха, что будет способствовать снижению внутренних напряжений и уменьшению количества концентраторов напряжений в структуре материала.

Теоретическими исследованиями характера движения жидкости во время гомогенизации сырьевой смеси установлено, что перемещения материала в рабочей емкости смесителя определяются взаимодействием турбулентного и вихревого потоков в рабочем объеме смесителя. Турбулентный поток способ -ствует воздухововлечению и интенсификации раствореня цемента.

19

Под действием вихревого потока увеличивается однородность смеси. Процесс гомогенизации протекает в две стадии: на первой стадии происходит активное

воздухововлечение, в результате чего смесь увеличивается в объеме, заполняя рабочий объем смесителя, на второй стадии смесь окончательно гомогенизируется, а вовлеченный воздух диспергируется, формируя требуемую структуру пенобетонной смеси. На основе теории упругого удара доказано, что рассматриваемые энергетические воздействия достаточны для удаления новообразований с поверхности цементной частицы и роста концентрации дислокаций на поверхности твердых компонентов смеси.

Установлено, что скорость протекания химических реакций в условиях внешних воздействий во время гомогенизации определяется количеством дислокаций на поверхности вяжущего и заполнителя и суммарной поверхностью реагентов, температурой пенобетонной смеси, интенсивность удаления продуктов реакции из зоны реакции, что определяется интенсивностью внешних воздействий на реагирующие вещества.

Силы адсорбционных взаимодействий между частицами цемента и ПАВ определяются длиной углеводородного радикала молекулы ПАВ и достигают максимального значения при длине углеводородного радикала 10 – 14 атомов и уменьшаются с ростом длины радикала.

Разработаны теоретические основы расчета состава пенобетонной смеси, учитывающие, что в состав воды затворения входит как вода, поступающая в начале цикла перемешивания с остальными компонентами смеси, так и конденсат, образующийся при разогреве пенобетонной смеси насышеным водяным паром. Согласно разработанной методике установлен расход сырьевых компонентов.

Разработан комплект лабораторного и опытно-промышленного оборудования, обеспечивающий комплексное механическое и термическое воздействие на пенобетонную смесь в процессе гомогенизации.

Экспериментальными исследованиями доказана эффективность рассматриваемого способа по сравнению с другими способами разогрева пенобетонной смеси или ее компонентов. Установлено влияние водного раствора добавок на кратность и стойкость пены в диапазоне температур 20…60 єС. Определено, что использование щелочного раствора добавок позволяет повысить стойкость пены в 4 – 7 раз. Исследовано влияние времени гомогенизации, угловой скорости ротора смесителя и температуры смеси на свойства приготовленной пенобетонной смеси и пенобетона. Обработкой экспериментальных данных получены корреляционные зависимости плотности и прочности пенобетона от времени перемешивания.

20

Путем проведения многофакторного эксперимента с оптимизацией по прочности установлено комплексное влияние физико-химических факторов (расхода цемента, частоты вращения ротора, температуры смеси, расхода добавок ) на прочностные свойства пенобетона.

Разработаны технологические рекомендации по применению пенобетонных смесей одностадийного приготовления для производства стено-

вых камней, устройства монолитных перегородок и теплоизоляционных покрытий пола. Определена экономическая эффективность предлагаемого способа производства, составляющая 548800 грн в год.

Результаты исследований внедрены на ООО “Агробуд“ пгт. Краснокутск Харьковской области.

Ключевые слова: пенобетон, пенобетонная смесь, прочность на сжатие, турбулентная гомогенизация, разогрев смеси водяным паром, сырьевая смесь, пеноконцентрат, добавки.

THE SUMMARY

Chubukin R.Y. One step foamed concrete mixes and effective concrete from this mixes. – Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of the candidate of engineering science on specialty 05.23.05 – Building materials and articles. – Kharkiv State Technical University of Civil Engineering and Architecture, Kharkiv, 2006.

Dissertation offered one-step method of activated mixing of cellular concrete composition. In this method is used steam heating for activation of composition when it is mixing. Cellular concrete mixed with one-step method has more compressive strength at 12..31 %.

Physical relationship and physical-chemical principals of hardening activated cellular concrete, has been determined. Experimental investigations were set alkali and acidic glue additions effect for time life of foam. The method of cellular concrete composition design was developed. The researches allowed to do an inference about mixing mode and technological properties of cellular concrete. It was

working out of technological recommendations for manufacturing of cellular concrete

product and monolithic parts of buildings.

Key words: cellular concrete, compressive strength, turbulent mixing, heating with steam of cellular concrete, raw material composition, foaming agent, additive.

Підписано до друку 10.10.2006 р. Формат 60Ч84 1/16

Умов. друк. арк. 1,16 Друк різографія.

Зам. № 254-2006 Тираж 100 прим.

Надруковано з готового оригінал-макету

ТОВ НВП “ІНФОТЕХ-СЕРВІС ЛТД“

61012, м. Харків, вул. Полтавський шлях, 19, кімн. 10