Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ПЕНОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА

Черкасов В.Д. 1 Ерастов В.В. 1 Ушкина В.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»
Статья посвящена изучению возможности применения нового белкового пенообразователя в производстве пенобетонов. Показано, что при концентрации менее 0,45?% добавка влияет на сроки схватывания незначительно, при концентрации 0,3?% снижает нормальную густоту цементного теста с 0,27 до 0,25. Установлено влияние добавки на структурообразование цементных композитов. Подобраны составы пенобетонов плотностью 300, 500 и 700 кг/м3. Изучена кинетика набора прочности. Показано, что к 3-м суткам твердения пенобетон набирает 40–69?% итоговой прочности, а к 7-м суткам – 67–83?%. Определена марка морозостойкости, усадка пенобетонов. Показано, что они соответствуют требованиям ГОСТ. Установлены значения коэффициента теплопроводности. Водопоглощение составило 38?% по массе. В структуре пенобетона преобладают замкнутые поры, их размеры однородны.
пенобетон
белковый пенообразователь
свойства
прочность на сжатие
морозостойкость
усадка
теплопроводность
1. Емельянов А.И. Разработка составов сухих смесей и технологии получения на их основе неавтоклавных пенобетонов: дис. … канд. техн. наук (05.23.05). – Пенза, 2005. – 180 с.
2. Измалкова Е.В. Структурообразование и свойства мелопенобетона с одностадийной поризацией смеси в турбулентных смесителях: дис. … канд. техн. наук (05.23.05). – Ростов-на-Дону, 2000. – 186 с.
3. Пат. 2597009 Российская Федерация, МПК, C04B 38/10. Белковый пенообразователь / Черкасов В.Д., Бузулуков В.И., Ушкина В.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». – № 2015122946/03; заявл. 15.06.2015; опубл. 10.09.2016, Бюл. № 25 – 6 с.
4. Сахаров Г.П. Поробетону – современное производство и широкое применение в строительстве // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2005. – № 7. – С. 26–27.
5. Шахова Л.Д. Роль пенообразователей в технологии пенобетонов // Строительные материалы. – 2007. – № 4. – С. 16–19.
6. Шлегель И.Ф. Повышение эффективности производства пенобетонов неавтоклавного твердения / И.Ф. Шлегель, Г.Я. Шаевич, Л.А. Карабут, В.М. Бескоровайный // Строительные материалы. – 2008. – № 1. – С. 24–25.

Основной задачей при производстве пенобетона становится обеспечение необходимой прочности. Прочность пенобетона зависит от качества поровой структуры пенобетона, образующейся при твердении материала. Высокое качество пенообразователя (высокая кратность и стабильность в цементном растворе) позволяет добиться оптимальной поровой структуры пенобетона [5]. Увеличение длительности схватывания, связанное в том числе с использованием пенообразователя, приводит к снижению прочности материала из-за гашения пены. Поэтому актуальной задачей современного материаловедения становится поиск решений для ускорения процесса твердения или увеличения времени жизни пены в растворе. Первый подход к решению этой задачи реализуется за счет использования автоклавного твердения, пропарки при атмосферном давлении, увеличения активности вяжущего, использование тонкодисперсных и армирующих добавок, ускорителей твердения, снижения В/Т и т.д. [5, 6]. Однако подобные технологические решения приводят к удорожанию товарного пенобетона за счет энергетических затрат на помол и температурную обработку, увеличения сырьевой себестоимости материала. Второй подход основан на разработке новых пенообразующих добавок и исследовании их свойств. Целью исследования стала разработка пенобетонов на основе белкового пенообразователя, полученного микробным синтезом из послеспиртовой барды, и изучение свойств полученных материалов.

В качестве наполнителя использовали известняковую муку, пенообразователя – пенообразователь, приготовленный в соответствии с [3]. Изготовление образцов вели в соответствии с ГОСТ 22685–89. Определение сроков схватывания вяжущего и нормальной густоты цементного теста вели с использованием прибора Вика по ГОСТ 310.3–76. Предел прочности на сжатие образцов кубиков с размером ребра 100 мм измеряли в соответствии с ГОСТ 10180–90. Морозостойкость образцов определяли по ГОСТ 10060.1–95. Определение теплопроводности образцов вели по ГОСТ 7076–99. Измерение водопоглощения образцов осуществляли в соответствии с ГОСТ 12730.3–78. Усадка образцов измерялась по ГОСТ 25485–89.

В работах [1, 2] показано, что мягкий мел и известняковая мука, выступая в качестве наполнителя, упрочняют структуру пенобетона. Между частицами наполнителя и цемента образуется контактная зона гидрокарбоалюминатов кальция, формирующая каркас, который упрочняется гидросиликатами и гидросульфоалюминатами кальция. Однако при чрезмерном увеличении содержания наполнителя он снижает прочность межпоровых перегородок и осадка пеномассы в формах увеличивается. Была исследована осадка пеномассы для пенобетонов с плотностью 300, 500 и 700 кг/м3. Анализ данных показал, что она достигала минимальных значений при содержании наполнителя 30 % мас.

Главными факторами, предопределяющими прочность пенобетона, являются количество наполнителя (Wн) и время приготовления пеномассы (t). Для подбора составов пенобетонов плотностью 300, 500 и 700 кг/м3 и условий приготовления пеномассы были проведены исследования с применением метода математического планирования. Параметрами оптимизации стали средняя плотность, прочность материала на сжатие, осадка. Матрица планирования и рабочая матрица эксперимента представлены в табл. 1.

Анализ результатов эксперимента позволил определить условия получения пенобетона, обеспечивающие максимальную прочность (табл. 2).

Таблица 1

Матрица планирования и рабочая матрица эксперимента

ρпенобетона, кг/м3

Матрица планирования

Рабочая матрица

Свойства пенобетона

Х1

Х2

Wн, %

t, мин

ρ, кг/м3

Осадка, %

Rсж, МПа

ККК

700

20

1,5

734

1,4

1,98

3,7

0

20

3,0

735

1,1

2,15

4,0

+

20

4,5

768

0,4

2,27

3,8

0

30

1,5

714

0,6

1,65

3,2

0

0

30

3,0

711

0,5

1,88

3,7

0

+

30

4,5

727

0,1

2,03

3,8

+

40

1,5

752

0,6

1,49

2,6

+

0

40

3,0

773

0,3

1,79

3,0

+

+

40

4,5

795

0,1

2,41

3,8

500

20

1,5

530

2,7

0,74

2,7

0

20

3,0

519

1,5

0,72

2,7

+

20

4,5

566

1,5

1,39

4,3

0

30

1,5

515

1,7

0,69

2,6

0

0

30

3,0

521

1,7

0,92

3,4

0

+

30

4,5

534

1,5

0,87

3,0

+

40

1,5

480

1,7

0,39

1,7

+

0

40

3,0

480

1,5

0,50

2,2

+

+

40

4,5

493

1,2

0,61

2,5

300

20

1,5

313

2,5

0,36

3,7

0

20

3,0

315

2,0

0,30

3,1

+

20

4,5

329

1,6

0,45

4,1

0

30

1,5

322

2,3

0,24

2,3

0

0

30

3,0

337

2,2

0,25

2,2

0

+

30

4,5

350

1,7

0,32

2,6

+

40

1,5

309

2,8

0,19

2,0

+

0

40

3,0

324

2,7

0,20

1,9

+

+

40

4,5

355

2,4

0,25

2,0

Таблица 2

Условия получения пенобетона

Плотность пенобетона, кг/м3

Количество наполнителя, %

Время перемешивания, мин

Прочность на сжатие, МПа

300

20

4,5

0,5

500

20

4,5

1,4

700

20

3,0

2,3

Таблица 3

Состав для приготовления 1 м3 пенобетона

Материалы

Плотность пенобетона, кг/м3

300

500

700

Цемент, кг

209

348

487

Известняковая мука, кг

52

87

122

Вода, кг

167

239

304

Гидролизат, л

12,0

10,1

8,3

Стабилизатор (раствор сульфата железа III 20 %), л

0,9

0,8

0,6

Вода для приготовления пенообразователя, л

47,0

39,4

32,5

pic_48.wmf

Рис. 1. Зависимость времени схватывания цемента от концентрации добавки

Составы пенобетонов с плотностью отражены в табл. 3.

Адсорбция пенообразователя на частицах цемента приводит к изменению сроков начала и конца схватывания. Как видно из рис. 1, при концентрации пенообразователя в растворе меньшей, чем 0,45 %, влияние его на сроки схватывания незначительно.

Белковый пенообразователь обладает пластифицирующими свойствами, поэтому при его внесении в цементно-водную эмульсию в количестве 0,3 % от массы цемента нормальная густота цементного теста снижается с 27 до 25 %, т.к. происходит снижение водопотребности цемента.

Исследование прочности образцов цементного камня, полученных при одинаковом В/Т отношении, показало, что прочность образцов на 3-и сутки твердения снижается, однако при концентрации пенообразователя меньшей, чем 0,3 % к 28 суткам прочность достигает таковой в контрольном испытании без использования добавки. Таким образом, белковый пенообразователь замедляет процессы гидратации и структурообразования.

Рентгеноструктурные исследования на рентгеновском дифрактометре «Дрон-6» с ионизационной регистрацией интенсивности рентгеновских лучей позволили установить структурные изменения, происходящие в цементных композитах с добавкой пенообразователя. Исследование производилось на 28 сутки твердения. Результаты показали, что интенсивность формирования новообразований в присутствии пенообразователя снижается, так как алит и белит меньше взаимодействуют с водой. Содержание силикатных фаз, обеспечивающих прочность, уменьшается с 43 до 31 %. Количество карбоната кальция увеличивается с 25 до 34 %. Поэтому следует строго соблюдать режим дозирования пенообразователя.

Результаты исследования кинетики набора прочности приведены в табл. 4. К 3-м суткам достигает 40–69 % итоговой прочности, а к 7-м суткам твердения – 67–83 %. Пенобетон наиболее интенсивно набирает прочность в течение первых семи суток.

Были исследованы усадка, морозостойкость и теплопроводность образцов пенобетонов. Результаты отражены в табл. 5.

Анализ характеристик пенобетонов показал, что для пенобетона плотностью 700 кг/м3 установлена марка морозостойкости F35, что соответствует требованиям ГОСТ 10060.1–95. Усадка разработанных пенобетонов отвечает нормам ГОСТ 25485–89. Максимальный рост усадочных деформаций произошел в первые 49 суток, после этого скорость высыхания значительно снизилась.

pic_49.tif

Рис. 2. Фотография образца пенобетона плотностью 518 кг/м3

Определение водопоглощения проводили для образцов пенобетона плотностью 518 кг/м3. Максимального значения водопоглощение достигало в первые часы проведения опыта, затем его темпы снижались. Итоговое значение водопоглощения по массе составило 38 %. Анализ пористости показал, что в пенобетоне преимущественно присутствуют замкнутые поры, и объем их составляет 55 %. Это подтверждается микроснимками структуры пенобетона (рис. 2). Показатель однородности пор высокий.

Таблица 4

Кинетика набора прочности пенобетонов

Плотность пенобетона, кг/м3

Прочность при сжатии в возрасте, МПа

3 сут

7 сут

28 сут

300

0,2

0,4

0,5

500

0,7

1,0

1,5

700

1,6

1,9

2,3

Таблица 5

Эксплуатационные характеристики пенобетонов плотностью 300, 500 и 700 кг/м3

 

Плотность пенобетона, кг/м3

300

500

700

Усадка, мм/м

2,9

2,2

1,1

Марка морозостойкости

F 15

F 25

F 35

Коэффициент теплопроводности, Вт/м•°С

0,083

0,103

0,155

Было осуществлено опытно-промышленное внедрение технологии производства пенобетона с использованием пенообразователя на предприятии ООО «Промстрой» г. Саранска. Была получена партия пенобетона с плотностью 710 кг/м3 и прочностью на сжатие 2,75 МПа.

Выводы

1. Для пенобетонов с плотностью 300, 500, 700 кг/м3 количество известняковой муки должно составлять 20 % по массе. Максимальная прочность достигается при перемешивании пеномассы в течение 3–4,5 мин. Разработаны составы пенобетонов.

2. При концентрации гидролизата до 0,45 % от массы цемента сроки схватывания практически не изменяются. Показано, что к 3-м суткам твердения пенобетон набирает 40–69 % прочности, а к 7-м суткам – 67–83 %.

3. С помощью рентгенофазного анализа установлено, что при гидратации силикатных составляющих цементного клинкера в присутствии протеинового пенообразователя алит и белит меньше взаимодействуют с водой, а это приводит к более низкой интенсивности формирования новообразований.

4. Разработанные пенобетоны отвечают требованиям ГОСТ 10060.1–95 и ГОСТ 25485-89. Коэффициенты теплопроводности пенобетона плотностью 300, 500 и 700 кг/м3 соответственно равны 0,083, 0,103 и 0,155 Вт/м•°С. В пенобетонах преимущественно присутствуют замкнутые поры с однородными размерами.


Библиографическая ссылка

Черкасов В.Д., Ерастов В.В., Ушкина В.В. ПЕНОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 9-3. – С. 523-527;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40777 (дата обращения: 09.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074