CC BY
76
10. Osipov V.l., Sokolov V.N. Gliny i ih svojstva. Sostav, stroenie i formirovanie svojstv // M.: GEOS, 2013. 576 s.
11. Holodov V.N. Geohimiya osadochnogo processa // M.: GEOS. 2006. 608 s.
12. Frolov V.T. Litologiya. Kniga 2. // M.: MGU. 1993. 432 s.
Котляр Антон Владимирович - аспирант кафедры строительных материалов, Ростовского государственного строительного университета, г. Ростов-на-Дону, E-mail: 79282797581@ya.ru.
Kotlyar Anton Vladimirovich - aspirant kafedry stroitel'nyh materialov, Rostovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta, g. Rostov-na-Donu, E-mail: 79282797581@ya.ru
УДК 691.327
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ
ПЕНОБЕТОНА
Машкин Н.А., Бартеньева Е.А.
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет,
Новосибирск
RESEARCH TECHNOLOGY THE FOAMING PROCESS FOAM CONCRETE
Mashkin N.A., BartenevаЕ.А.
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Novosibirsk
Проведена оценка возможности получения технической пены для производства теплоизоляционно-конструкционного пенобетона на высокоскоростной кавитационной установке с использованием золы-уноса ТЭЦ. Исследовано влияние технологических параметров лабораторной установки на плотность технической пены и стойкость пеномассы, определена прочность образцов неавтоклавного пенобетона, полученных на исследуемых пенах. Определены зависимости характеристик пен, а также их влияние на свойства пенобетона.
Ключевые слова: Пенобетон, высокоскоростной миксер, техническая пена, коэффициент конструктивного качества.
The evaluation of the possibility of technical foams for the production of heat-insulating and structural foam at high cavitation installation using fly ash CHP. The influence of process parameters on the laboratory setup technical foam density and stability of the foam mass, determined the strength of non-autoclaved aerated concrete samples obtained at study foams. The dependence of the characteristics of foams, as well as their influence on the properties of the foam.
Key words: Foam concrete, high speed mixer, technical foam, constructive quality factor.
Исследования в области технологии пенобетона показывают, что он является эффективным строительным материалом [1-4]. Однако его производство связано с рядом проблем: недостаточной конечной прочностью, повышенной усадкой, высокой восприимчивостью к параметрам технологии и качеству сырьевых материалов. Общеизвестно, что на формирование структуры пенобетона, его основные эксплуатационные свойства оказывает влияние не только растворная часть, но и
химическая природа пенообразующей добавки, ее основные физико-химические характеристики, а также параметры пены, полученной на ее основе [5,6]. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из пузырьков газа, разделенных прослойками жидкости. Основными показателями оценки свойств пены являются средняя плотность, кратность, стабильность (устойчивость), дисперсность и стойкостью пеномассы [7,8].
В данной работе были проведены эксперименты по определению плотности пены (г/л), стойкости пеномассы в зависимости от варьирования технологических параметров: скорости вращения рабочего органа и времени приготовления пены. Скорость рабочего органа принималась 10640, 13210 и 18350 об/мин, время приготовления пены составляло 6, 8 и 10 мин. Процесс воздухововлечения в ходе эксперимента обеспечивался высокоскоростной лабораторной мешалкой (рис. 1) объемом 1-3 л (со съемным баком для перемешивания). Конструкция рабочего органа мешалки была рассчитана на воздухововлечение за счет образования в жидкости пузырьков (каверн), заполненных атмосферным воздухом. При этом каверны возникали в результате перепада гидравлического давления.
Плотность пены определялась по массе одного литра пены. Средняя плотность отражает количество жидкой фазы, находящейся в пенной системе.
Коэффициент стойкости пены в цементном тесте рассчитывали по формуле [9]:
Сп = ■
^цт
-,(1)
Рис. 1. Высокооборотный миксер кавитационного типа
где ^.тр - объем поризованного цементного теста, мл; ^.т. - объем цементного теста, мл; Упен - объем пены, мл.
Показатель стойкости пеномассы является одним из определяющих при подборе пенообразователя, так как разрушение пены в процессе минерализации приводит к деградации пенобетонной смеси [7]. Приемлемые значения стойкости пеномассы для получения пенобетона должны находиться в диапазоне 0,8-0,85.
Показатель стойкости поризованной смеси характеризует ее усадку при смешивании пены и растворной части пенобетона. Это может быть связано с процессами коалесценции и синерезиса при недостаточной структурной прочности межпоровых перегородок, за счет изменения рН среды, за счет перераспределения ПАВ в дисперсной системе.
Пенобетонную смесь готовили по классической технологии, которая заключается в раздельном приготовлении пены и поризуемого раствора, последующего их смешивания в смесителе для приготовления раствора. В качестве пенообразователей использовали добавку «Неопор» (Германия) и «ПБ-2000» (ОАО "Ивхимпром", г. Иваново, РФ). Основу «Неопора» составляют протеины (белки) -
пор
V.
ц.т.
Чт. + Ц
биополимеры, построенные из остатков а - аминокислот, связанных между собой длинными полипептидными цепями:
сн2 - сн I
сн2 I
СЬШ(СНз)2
I
сн2 I
С00(СН2)з80З - _ ,Л — п=5-10
Пенообразователь «ПБ-2000» (ТУ 2481-185-05744685-01) представляет собой водный раствор солей алкилсульфатов первичных жирных спиртов фракции C8-C15 со стабилизирующими добавками.
В качестве вяжущего использовался портландцемент М400Д0 (ООО «Искитимцемент», г. Искитим, РФ), имеющий следующий химический состав, мас. %: Na2Oз - 0,38, MgO - 2,44; ДЮз - 5,75; SiO2 - 22,98; P2O5 - 0,08; ^ - 0,62; CaO -59,50; ТО2 - 0,37; MnO - 0,10; Fe2Oз - 3,67; BaO - 0,03; SOз - 2,89; п.п.п. - 1,00. Истинная плотность портландцемента - 3,026 г/см3, насыпная плотность - 1,175 г/см3.
В качестве кремнеземистого заполнителя использовалась зола-уноса, полученная на ТЭЦ-5 г. Новосибирска (РФ) от сжигания Кузнецких каменных углей. Химический состав заполнителя, мас.%: ЭЮ2 - 60,77; Al2Oз - 19,45; Fe2Oз - 5,16; CaO - 5,12; MgO - 2,10; Na2O - 0,89; K2O - 2,01; SOз - 0,54; P2O5 - 0,39; ТО2 - 0,82; BaO -0,20, MnO - 0,07. Данная зола относится к кислым: модуль Мо = 0,09, коэффициент качества Кк = 0,44, насыпная плотность - 0,885 г/см3, истинная плотность - 1,870 г/см3 (ГОСТ 9758-2012), остаток на сите 008(по массе) - 4,49 % (ГОСТ 310.2-76). Соотношение цемента и золы было принято 1:1, В/Т=0,47.
Результаты проведенных исследований представлены на рис. 2-5. Из рисунка 2 видно, что наибольшая плотность пены характерна для режима с минимальным временем взбивания пен. Это можно объяснить недостаточной скоростью взбивания пены для самоорганизации пенной структуры высокомолекулярного природного пенообразователя «Неопор», что может быть обусловлено сильным взаимодействием между отдельными цепями полимерной добавки и замедленным растворением его макромолекул в жидкой фазе [6].
Рис. 2 Влияние технологических режимов на плотность пены Неопор
0.71
0.69
S 0.67
0.65
0.63
0.61
0.59
0,7 , —I 0,7
/
/
"V/
0.61 f/ #0,6
10640 13210
Скорость вращения ряб.
157S0 органа. оЗ/мпн
Рис. 3 Влияние технологических режимов на стойкость пеномассы Неопор
С увеличением времени взбивания плотность пены снижается, она становится более «сухой». Такая же зависимость наблюдается при увеличении скорости вращения рабочего органа кавитационной установки.
Показатель стойкости пеномассы увеличивается при повышении скорости вращения рабочего органа лабораторной установки, наилучшие показатели определены при максимальном режиме (t = 10 мин, V = 15780 об/мин). Максимальные значения стойкости пеномассы наблюдаются при средней скорости вращения лабораторной установки, при увеличении оборотов заметно небольшое снижение стойкости смеси для минимального времени взбивания пены. По показателю стойкости пеномассы полученная пена не достигает оптимальных показателей.
т
140
120
-
й 100
С
£ 30
о 60
X
с 40
== 20
0
10640 13210 15730 13350 Скорость врашекия pao. органа, о 5-'мин —•—б мин -И-Змин -i-10 мин
Рис. 4. Влияние технологических режимов на плотность пены ПБ-2000
На основании данных эксперимента видно, что с повышением плотности технической пены уменьшается стойкость пеномассы. К тому же, чем меньше плотность пены, тем сильнее проявляется зависимость стойкости пеномассы от
плотности пены. Чем выше обороты миксера, тем сильнее изменение плотности пены влияет на стойкость смеси.
Для полученной пены на пенообразователе ПБ-2000 из рис. 4 видно, что с ростом скорости вращения плотность пены уменьшается, наиболее сильное снижение заметно для максимального времени взбивания пены. При этом круглые пузырьки пены приобретают многогранную форму. Сильнее выражено снижение плотности для времени взбивания пены, равное 10 мин. Можно отметить, что на данном пенообразователе пена получается более легкая, чем на белковом. Меньшие показатели плотности для минимальной скорости вращения при 1=6 мин и 1=8 мин можно объяснить недостаточной скоростью вращения рабочего миксера для воздухововлечения в раствор поверхностно-активного вещества и воды и формированием пенной структуры. В таких пенах преобладали крупные пузырьки с1=2-3 мм и мелкие пузырьки с1ср=0,5 мм. Стойкость пеномассы на пенообразователе ПБ-2000 (рис. 5) увеличивается при росте скорости вращения рабочего органа установки, особенно это заметно при 15780 об/мин и выше. При увеличении количества оборотов до максимальных стойкость пеномассы достигает оптимальных значений, рекомендуемых для пенобетонов.
Рис. 5. Влияние технологических режимов на стойкость пеномассы ПБ-2000
Стойкость пеномассы на ПБ-2000 уменьшается при снижении плотности пены, причем эта зависимость увеличивается при увеличении количества оборотов, но для максимального режима стойкость пеномассы меняется незначительно при большом разбросе плотности пены.
При увеличении скорости вращения рабочего органа пеногенератора заметно более резкое уменьшение плотности пены ПБ-2000. На высоких оборотах стойкость пеномассы высокая по сравнению с остальными режимами, ее величина варьируется от 0,82 до 0,86, а снижение плотности пены значительное.
Для исследованных режимов на пенообразователе «Неопор» были получены «влажные» пены с пузырьками сферической формы с1т1п=0,05мм. Для максимального времени перемешивания диаметры пузырьков достигают 1-3 мм. Также можно отметить, что пузырьки пен Неопор равномерно распределены по размерам. Для них характерно снижение разрушения структуры пены и коалесценции пор при
0.9
0:6
10640 13210 15780 18350 Скорость вращения рад, органа, об/ьям
перемешивании их с пенобетонной смесью за счет наиболее толстых пленок и отсутствия жесткого пространственного закрепления смежных пор. Такой пенобетон после отверждения обладает замкнутой пористостью. За счет большего количества воды в пенах улучшается однородность материала, т.к. обеспечивается хорошее перемешивание раствора с пеной. Для более «сухих» пен, полученных на пенообразователе ПБ-2000, наблюдалась агрегация смеси, что отмечено и другими авторами в своих исследованиях [7]. Пористость пенобетона, полученного на ПБ-2000, неравномерная, поры неправильной формы, наблюдаются незамкнутые поры.
В ходе эксперимента для разных технологических режимов были заформованы образцы теплоизоляционно-конструкционного пенобетона, твердевшие в нормальных условиях в течение 28 суток, а затем испытанные на прочность при сжатии в соответствии с ГОСТ 10180-2012. Данные представлены на рис. 6, 7. Из графика видно, наибольшая прочность соответствует наименьшему времени приготовления пены, что может быть обусловлено более однородной структурой материала. С увеличением времени взбивания пены прочность материала снижается. При увеличении количества оборотов лабораторной установки наблюдается снижение прочностных показателей пенобетона, а для максимальных (14200 об/мин) вновь происходит их увеличение. Можно отметить, что с увеличением плотности пены повышается прочность образцов. Из экспериментальных данных видно, что высокой плотности пены соответствует прочность не ниже 2,53 МПа, при низкой плотности прочность уменьшается до 1,27-1,62 МПа.
Повышение прочности заметно для максимальных оборотов при плотности пены равной 90 г/л, когда влажность пены уменьшается, а соответственно и количество воды. Возможно, в данном случае на показатель прочности влияет более высокая стойкость пеномассы.
Рис. 6. Влияние технологических режимов на предел прочности при сжатии
пенобетона Неопор
5
я 4.5 С
г 4
5 3.5
- \
1 3
2.5
Ё 2
2 1,5 [ 1
К 0,5 О
4,61 /---
2,24 \ 2,12
1,55 \ 1,38
1,79
0,34 /
ш6 лшн "8 лшн -Юмтш
Скорость вращения раб. органа, об млн
Рис. 7. Влияние технологических режимов на предел прочности при сжатии
пенобетона ПБ-2000
0,0058
0,0047
0,0041 0,0037"
^^ 0,0035
—— 11,0022
0,0015
70 60
■Г' 50
о
Г 40
'-—г-
V 30
§20 10 о
10640 13210 14200
Скорость вращения раб. органа, об/мин
♦ 6 пин ■ 811Ш А 10 мин
Рис. 8. Коэффициент конструктивного качества (ККК) для пенобетона Неопор
Для пенобетона, полученного на пенообразователе ПБ-2000 снижение прочности заметно при увеличении скорости вращения до 13210 об/мин, затем наблюдается ее прирост, особенно стремительно для максимального времени взбивания пены до 4,5-4,61 МПа. Для минимальной скорости вращения наибольшую прочность имеет образец со временем взбивания пены 6 мин, и образцы с данным временем получения пены превышают показатели прочности образцов с 8ми минутным временем взбивания пены для всех скоростей вращения рабочего органа пеногенератора.
Из графиков видно, что для максимальной плотности пены (130 г/л, 120, 110 г/л при минимальных оборотах 10640 и 13210 об/мин) прочность пенобетона достаточно высокая и составляет 4,12 МПа, 1,38 МПа. С уменьшением плотности пены прочность пенобетона начинает тоже падать, достигая минимальных значений, а затем виден опять набор прочности пенобетоном, начиная с плотности около 80-85 г/л, достигая максимальных значений. Для более полной оценки качества полученного пенобетона был определен коэффициент конструктивного качества, который вычисляется как отношение предела прочности при сжатии к величине средней плотности материала. Результаты вычислений представлены на рис. 8, 9. Для пенобетона Неопор по графикам видно, что значения ККК коррелируют с показателями прочности образцов,
также похоже себя ведут и кривые ККК пенобетона, полученного на ПБ-2000, с
зависимостями предела прочности при сжатии
60
50 .40
^-20
3 10
О
0,0048 0.0047
0.0042
0,0028 / г / 0,0046
\о,0015 0,002у 0,0021
0,0022\^ 0,0018
0,< 004
10640 13210 14200 18350
Скорость вращения рас. органа, об/мин
• 6 мин ■ 8 мин А 10 мин
Рис. 9. Коэффициент конструктивного качества (ККК) для пенобетона ПБ-2000
Для пенобетона Неопор образцы с наилучшими показателями ККК получены для минимального времени взбивания пены, для максимального времени взбивания заметно его повышение при повышении скорости вращения рабочего органа миксера до 14200 об/мин.
Для пенобетона ПБ-2000 заметно существенное снижение ККК до 0,00040,0015 при скорости вращения рабочего органа миксера равной 13210 об/мин. Наилучшие показатели соответствуют минимальному времени взбивания пены и предельным значениям скорости вращения миксера, для времени взбивания пены равного 10 мин ККК повышается для повышенных скоростей взбивания пены (У=14200-18350 об/мин).
Заключение
На основании проведенного исследования можно отметить следующее: на пенообразователе «Неопор» при приготовлении пены на высокооборотном миксере кавитационного типа получаются «влажные» пены с плотностью 90-212 г/л, с уменьшением этих показателей в сторону увеличения скорости вращения рабочего органа и времени взбивания пены. По показателям стойкости (С^т= 0,6-0,71) полученные пены не соответствуют удовлетворительным. Можно отметить, что стойкость пеномассы возрастает с уменьшением плотности технической пены Неопор. Пенообразователь Неопор позволяет получить в ячеистом бетоне одиночные равномерно распределенные поры сферической формы. Пенобетон Неопор соответствует требованиям ГОСТ 25485-89 (В2-В3,5) для неавтоклавных пенобетонов при времени взбивания пены равном 6 минут, для 8 минут - при минимальных оборотах миксера, и для 10 минут - при крайних значениях скорости вращения рабочего органа кавитационной установки.
При использовании пенообразователя ПБ-2000 получается более «сухая» пена с плотностью 20-150г/л, стойкость пеномассы увеличивается при росте скорости вращения рабочего органа установки. При увеличении количества оборотов до максимальных стойкость пеномассы достигает оптимальных значений,
рекомендуемых для пенобетонов. В пористой структуре пенобетона ПБ-2000 поры неправильной формы, встречаются незамкнутые. При повышенных оборотах миксера смесь на пенообразователе ПБ-2000 получалась рыхлая с агрегацией растворной части. Показатели прочности при сжатии полученного пенобетона выше, чем на пенообразователе Неопор, однако они недостаточны для класса по прочности при сжатии, т.к. у этих образцов марка по плотности тоже выше. Это видно и по ККК, который ниже для ПБ-2000 по сравнению с пенобетоном, полученном на Неопоре.
Библиографический список
1. Машкин, Н.А. Новые материалы и технологии малоэтажного строительства/ Н.А. Машкин, В.И. Федченко, К.Я. Мартынов // Материалы 5 Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства». - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2012. - С. 219-223.
2. Зубарева, Е.А. Использование активации в производстве ячеистого бетона/ Е.А. Зубарева, Д.А. Писарев, Н.А. Машкин // Проектирование и строительство в Сибири. - 2011. -№1. - С. 39.
3. Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения:материалы 8-й Международной научно-практической конференции/ред.кол.: Н.П. Сажнев (отв. ред.) [и др.]. - Минск: Стринко, 2014. — 140 с.
4. Ячеистые бетоны в современном строительстве: VI Международная конференция сборник докладов. Выпуск 5 - СПб: НП «Межрегиональная Северо-Западная строительная палата», Центр ячеистых бетонов, 2009. - 107с.
5. Шахова, Л.Д. Технология пенобетона: теория и практика: [монография]/ Л.Д. Шахова. - М.: Ассоциация строительных вузов, 2010. - 246с.;
6. Пенобетон: [монография]/ Л.В. Моргун. - Ростов-на-Дону: Рост. гос.строит. ун-т, 2012. - 154с.;
7. Пена и пенные пленки/ Кругляков П.М., Ексерова Д.Р. - М.: Химия, 1990. - 432с.
8. Пены. Теория и практика их получения и разрушения/ В.К. Тихомиров. - М.: Химия, 1983. - 264 с.
9. Ружинский, С.И. Все о пенобетоне/ С.И Ружинский, А. Портик, А. Савиных. - СПб: ООО «Стройбетон», 2006. - С. 139.
10. Влияние компонентного состава на реологические и другие технологи-ческие свойства пеноцементных смесей: автореферат дисс...канд. техн. наук/Д.В. Твердохлебов. -Белгород, 2006. - 21 с.
11. Структурно-технологические основы получения «сверхлегкого» пено-бетона: автореферат дисс... канд. техн. наук/ В.В. Кондратьев. - Казань, 2003. - 21с.
Bibliograficheskij spisok
1. Mashkin, N.A. Novye materialy i tekhnologii maloehtazhnogo stroitel'stva/ N.A. Mashkin, V.I. Fedchenko, K.YA. Martynov // Materialy 5 Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Aktual'nye voprosy stroitel'stva». - Novosibirsk: NGASU (Sibstrin), 2012. - S. 219-223.
2. Zubareva, E.A. Ispol'zovanie aktivacii v proizvodstve yacheistogo betona/ E.A. Zu-bareva, D.A. Pisarev, N.A. Mashkin // Proektirovanie i stroitel'stvo v Sibiri. - 2011. - №1. - S. 39.
3. Opyt proizvodstva i primeneniya yacheistogo betona avtoklavnogo tverdeniya:materialy 8-j Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii/red.kol.: N.P. Sazhnev (otv. red.) [i dr.]. - Minsk: Strinko, 2014. — 140 s.
4. YAcheistye betony v sovremennom stroitel'stve: VI Mezhdunarodnaya konferenciya sbornik dokladov. Vypusk 5 - SPb: NP «Mezhregional'naya Severo-Zapadnaya stroi-tel'naya palata», Centr yacheistyh betonov, 2009. - 107s.
5. SHahova, L.D. Tekhnologiya penobetona: teoriya i praktika: [monografiya]/ L.D. SHahova. - M.: Associaciya stroitel'nyh vuzov, 2010. - 246s.;
6. Penobeton: [monografiya]/ L.V. Morgun. - Rostov-na-Donu: Rost. gos.stroit. un-t, 2012. -
154s.;
7. Pena i pennye plenki/ Kruglyakov P.M., Ekserova D.R. - M.: Himiya, 1990. - 432s.
8. Peny. Teoriya i praktika ih polucheniya i razrusheniya/ V.K. Tihomirov. - M.: Hi-miya, 1983. - 264 s.
9. Ruzhinskij, S.I. Vse o penobetone/ S.I Ruzhinskij, A. Portik, A. Savinyh. - SPb: OOO «Strojbeton», 2006. - S. 139.
10. Vliyanie komponentnogo sostava na reologicheskie i drugie tekhnologi-cheskie svojstva penocementnyh smesej: avtoreferat diss...kand. tekhn. nauk/D.V. Tverdohlebov. - Belgorod, 2006. -21 s.
11. Strukturno-tekhnologicheskie osnovy polucheniya «sverhlegkogo» peno-betona: avtoreferat diss. kand. tekhn. nauk/ V.V. Kondrat'ev. - Kazan', 2003. - 21s.
Машкин Николай Алексеевич - доктор технических наук, профессор кафедры строительных материалов, стандартизации и сертификации Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин), г. Новосибирск, E-mail: nmashkin@yandex.ru.
Mashkin Nikolaj - doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of construction materials, standardization and certification of the Novosibirsk State Architectural University (Sibstrin), Novosibirsk, E-mail: nmashkin@yandex.ru.
Бартеньева Екатерина Александровна - аспирант кафедры строительных материалов, стандартизации и сертификации Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин), г. Новосибирск.
Barten'eva Ekaterina - graduate student of construction materials, standardization and certification of the Novosibirsk State Architecture and Construction University (Sibstrin), Novosibirsk.
УДК 674.048.5
СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОДЛЕНИЯ СЛУЖБЫ СТАРИННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ЗДАНИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Машкин Н.А., Крутасова И.Б., Крутасов Б.В. Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет,
Новосибирск
COMPOSITION AND TECHNOLOGY OF SERVICE EXTENSION OF OLD WOODEN BUILDINGS IN WESTERN SIBERIA
Mashkin N.A., Krutasova I.B., Krutasov B.V. Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Novosibirsk
Рассмотрены вопросы защиты памятников деревянного зодчества Сибири с использованием технологий модифицирования древесины. В качестве эффективных защитных средств для древесины исследованы защитные составы на основе
