CC BY
13
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 691.327.33
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Соловьева О.В., Соловьев С.А., Шакурова Р.З.
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
solovyeva. ov@kgeu. ru
Резюме: ЦЕЛЬ. Ячеистый бетон нашел применение в строительстве как материал, имеющий малый вес, низкую теплопроводность и высокую огнестойкость. В настоящее время существуют различные виды ячеистых бетонов и композитов на их основе. Современные исследования сосредоточены на изучении свойств ячеистых бетонов и композитов, а также факторов, влияющих на эти свойства. Ряд исследований касается разработки способов производства композитных ячеистых бетонов. Целью данной статьи является проведение подробного обзора научной литературы, посвященной анализу свойств высокопористых ячеистых бетонов и способам их производства. МЕТОДЫ. Для проведения обзора использовалась как отечественная, так и зарубежная научная литература. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведен обзор способов производства ячеистых бетонов, а именно способов формирования пористой структуры и способов отверждения бетона. Выявлено, что наиболее простым способом формирования пористой структуры является вспенивание с добавлением пенообразователя. Количество и тип пенообразователя оказывает влияние на конечную структуру ячеистого бетона и, следовательно, определяет его свойства. Среди способов отверждения ячеистых бетонов наиболее эффективным является способ автоклавирования, при котором достигается высокая прочность на сжатие. Обзор работ, посвященных исследованию свойств ячеистых бетонов, показал, что основные характеристики, такие как прочность и теплопроводность, зави сят от пористости бетона, его плотности и размера пор. Перечисленные характеристики, в свою очередь, определяются количеством и типом пенообразователя или газообразующих химикатов. Обзор современных композитных материалов на основе ячеистых бетонов позволяет сделать вывод, что добавление микрокремнезема, летучей золы или микросфер способствует улучшению прочностных и теплоизоляционных свойств композитов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведен широкий обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной способам производства ячеистых бетонов, анализу их свойств и разработке композитных строительных материалов на основе пенобетонов. Выявлены основные факторы, влияющие на характеристики ячеистых бетонов и композитов на их основе.
Ключевые слова: ячеистый материал; пенобетон; газобетон; теплоизоляция; композит.
Благодарности: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-10406, https://rscf.ru/project/21-79-10406/.
Для цитирования: Соловьева О.В., Соловьев С.А., Шакурова Р.З. Обзор современных высокопористых ячеистых бетонов и композитов на их основе // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 1 (61). С. 70-88.
REVIEW OF MODERN HIGHLY POROUS CELLULAR CONCRETE AND COMPOSITES BASED ON THEM
Soloveva O.V., Solovev S.A., Shakurova R.Z.
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
solovyeva. [email protected]
Abstract: THE PURPOSE. Cellular concrete has found application in construction as a material with low weight, low thermal conductivity and high fire resistance. Currently, there are various types of cellular concrete and composites based on them. Modern researches are
70
focused on the study of the properties of cellular concretes and composites, factors affecting these properties. A number of studies relate to the development of methods for the production of composite cellular concrete. The purpose of this article is to conduct a detailed review of the scientific literature devoted to the analysis of the properties of highly porous cellular concrete and methods of their production. METHODS. For the review, both domestic and foreign scientific literature was used. RESULTS. We carried a review of methods for the production of cellular concretes, namely, methods for the formation of a porous structure and methods for curing concrete. We found that the simplest method of forming a porous structure is foaming with the addition of a foaming agent. The amount and type offoaming agent influences the final structure of the cellular concrete and therefore determines its properties. Among the methods of curing cellular concrete, the most effective is the autoclaving method, which achieves high compressive strength. A review of works devoted to the study of the properties of cellular concrete showed that the main characteristics, such as compressive strength and thermal conductivity, depend on the porosity of concrete, its density and pore size. These characteristics, in turn, are determined by the amount and type of foaming agent or blowing chemicals. A review of modern composite materials based on cellular concrete showed that the addition of silica fume, fly ash or microspheres improves the mechanical and thermal insulation properties of composites. CONCLUSION. We carried out a broad review of domestic and foreign literature devoted to the production methods of cellular concrete, analysis of their properties and development of composite building materials based on foam concrete. The main factors influencing the characteristics of cellular concretes and composites based on them are revealed.
Keywords: cellular material; foam concrete; aerated concrete; thermal insulation; composite.
Acknowledgments: The research was funded by the Russian Science Foundation, grant number 21-79-10406, https://rscf.ru/en/project/21-79-10406/.
For citation: Soloveva O.V., Solovev S.A., Shakurova R.Z. Review of modern highly porous cellular concrete and composites based on them. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2023. T. 16. No. 1 (61). P. 70-88.
Введение (Introduction)
Ячеистый бетон относится к классу легких бетонов и благодаря пористой структуре отличается высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками, а также низкой плотностью. Легкий вес блоков ячеистого бетона снижает собственную нагрузку на здание и уменьшает затраты на строительство и транспортировку материала. В настоящее время пенобетон активно применяется для строительства фасадов, стен, потолков зданий. С целью улучшения теплоизоляционных характеристик здания пенобетон также применяют при строительстве ненесущих конструкций.
В настоящей статье представлен обзор основных видов ячеистого бетона, его характеристик и сфер применения. Особое внимание уделено исследованиям тепловых свойств и факторов, влияющих на теплопроводность и теплоемкость ячеистых бетонов. Рассмотрены также существующие виды композитных ячеистых бетонов и их характеристики. Проанализированы особенности теплопередачи в композитных бетонах.
Классификация ячеистого бетона представлена на рисунке 1. По способу образования пор ячеистый бетон классифицируется на пенобетон и газобетон. По способу отверждения выделяют автоклавный и неавтоклавный ячеистый бетон. Бетон, подвергающийся пропариванию в автоклаве при высоких значениях температуры и давления, называется автоклавным. Неавтоклавный бетон твердеет в естественных условиях при атмосферном давлении. Способ отверждения оказывает влияние на свойства ячеистого бетона: автоклавный бетон имеет более высокую прочность и меньшую усадку в сравнении с неавтоклавным бетоном. Наконец, ячеистый бетон в зависимости от плотности применяют для улучшения тепловой изоляции зданий, для строительства ненесущих или несущих конструкций. На рисунке 2 представлены фотографии образцов пенобетона различной плотности.
Рис. 1. Классификация ячеистых бетонов Fig. 1. Classification of cellular concrete
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
I 2 1 4 9 6 7 • • 10 11 11 IS 14 IS 1« 1Г 1« 19 20 И Z
Рис. 2. Фотографии образцов пенобетона с Fig. 2. Photographs of foam concrete samples плотностями: 300, 450 и 700 кг/м3 [1] with densities: 300, 450 and 700 kg/m3 [1]
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Впервые пенобетон был запатентован в Швеции в 1923 году Акселем Эрикссоном, и назывался Ytong [2]. В 1934 году в Швейцарии изобретателем Иваром Эклундом был запатентован другой вид пенобетона, названный Siporex. В 1930 -х годах советские ученые П.А. Ребиндер, Б.Н. Кауфман и И.Т. Кудряшов разработали технологию легких теплоизоляционных пенобетонов, и, начиная с 1940-х годов, пенобетон активно применяли в СССР для возведения ненесущих конструкций [3]. В 1950-м году в Великобритании представили газобетон с добавлением угольного шлака от тепловых электрических станций. В 1970-х годах ячеистый бетон активно использовали для цементирования нефтяных скважин. Несущие конструкции из пенобетона начали возводить уже в 1980-х годах. Одним из первых крупных объектов стал железнодорожный тоннель Фолкерк в Шотландии, возведенный из пенобетона в 1980 г. На сегодняшний день ячеистый бетон является распространенным строительным материалом. Основными крупными производителями являются Siporex, Ytong, Hebel и Duros. Пенобетон также применяется во многих отраслях промышленности для звуко- и теплоизоляции, производства строительных панелей, блоков, для энергопоглощающих прокладок дорог, в качестве дорожного основания и различного вида отсыпок. В местности с пластичными, слабыми грунтами, которые подвержены циклам замерзания-оттаивания, в качестве основания дороги также используют ячеистый бетон. Основные области применения ячеистых бетонов представлены на рисунке 3.
Рис. 3. Области применения ячеистых бетонов Fig. 3. Application areas of cellular concrete *Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
1. Способы производства ячеистого бетона
1.1. Способы образования пор
Существуют два основных способа образования пор в ячеистом бетоне: воздухововлекающий способ и способ вспенивания. Воздухововлекающий способ заключается в добавлении газообразующих химикатов в цементный раствор. В результате химической реакции выделяется газ, что и приводит к формированию пористой структуры. В качестве газообразующих химикатов применяют алюминиевый порошок, перекись водорода/хлорную известь и карбид кальция, которые выделяют водород, кислород и ацетилен соответственно. Способ вспенивания осуществляется путем либо предварительного вспенивания, когда пенообразователь смешивается с частью воды затворения, либо смешанным вспениванием, когда пенообразователь смешивают непосредственно с цементным раствором (рисунок 4). В качестве пенообразователей применяют различные моющие средства, смоляное мыло, гидролизованные белки, клеевые смолы и т.д. Способ вспенивания является более экономичным процессом образования пор и позволяет осуществлять контроль структуры пенобетона, так как в порообразовании не участвуют сопутствующие химические реакции. Реже применяют комбинированный способ порообразования путем вспенивания и воздухововлечения с применением алюминиевого порошка и клеевой смолы [4].
Без введения газообразующих химикатов или пенообразователей не удается достичь пористой структуры бетона. При смешивании компонентов бетона лопасти смесителя захватывают некоторые объемы воздуха. Попавшие в цементный раствор пузырьки воздуха очень нестабильны и начинают сливаться, образуя более крупные пузырьки воздуха. Далее под действием выталкивающей силы эти пузырьки удаляются из смеси, так что конечный объем захваченного воздуха в бетоне не превышает 3%. Введение газообразующих химикатов или пенообразователей способствует образованию мелких и стабильных пузырьков воздуха, которые не сливаются друг с другом, что и приводит к формированию пористой структуры ячеистого бетона. Регулируя тип и количество газообразующих химикатов и пенообразователей, можно контролировать объем вовлеченного воздуха и, соответственно, структуру бетона [5].
Рис. 4. Способы производства пенобетона Fig. 4. Foam concrete production methods
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
1.2. Способы отверждения ячеистого бетона
Как отмечалось ранее, по способу отверждения разделяют автоклавный и неавтоклавный ячеистый бетон. Различие заключается в том, что неавтоклавный ячеистый бетон сушат в естественных условиях, в то время как автоклавный бетон получают путем сушки в автоклаве под действием высоких температур и давления. Ввиду разных способов сушки автоклавный и неавтоклавный бетон имеют различные свойства. Как правило, автоклавный бетон обладает более высокой прочностью. Для сравнения, в таблице 1 представлены характеристики неавтоклавного пенобетона, в таблице 2 характеристики автоклавного газобетона. Согласно данным в таблицах, при фиксированной плотности автоклавный газобетон обладает более высокими значениями прочности на сжатие и модуля упругости по сравнению с неавтоклавным пенобетоном. Недостатком автоклавного газобетона является низкая прочность на изгиб, которая варьируется от 0,65 до 1,25 МПа. Неавтоклавный пенобетон также не лишен недостатков, один из них - усадка при высыхании, которая изменяется от 0,06 до 0,35 %.
Таблица 1 Table 1
Характеристики неавтоклавного пенобетона [6] _Characteristics of non-autoclavedш foam concrete [6]_
„ . 3 Прочность на Модуль упругости, Теплопроводность,
плотность, кг/м а(гт а(гт п ,
' сжатие, МПа МПа Вт/мК
400 0,5-1,0 0,8-1,0 0,10
600 1,0-1,5 1,0-1,5 0,11
800 1,5-2,0 2,0-2,5 0,17-0,23
1000 2,5-3,0 2,5-3,0 0,23-0,30
1200 4,5-5,5 3,5-4,0 0,38/-0,42
1400 6,0-8,0 5,0-6,0 0,50-0,55
1600_7,5-10_10-12_0,62-0,66
Таблица 2 Table 2
Характеристики автоклавного газобетона [6]
Плотность, кг/м3 Прочность на сжатие, МПа Модуль упругости, МПа Теплопроводность, Вт/мК
450 3,2 1,6 0,12
525 4,0 2,0 0,14
600 4,5 2,4 0,16
675 6,3 2,5 0,18
750 7,5 2,7 0,20
Для производства автоклавного газобетона в смесь добавляют кварцевый песок или кремнезем, а также алюминиевый порошок. Кремнезем или кварцевый песок применяют в качестве мелкозернистого наполнителя, который смешивают с известью и цементом. Затем в эту смесь добавляют воду, и начинается процесс гидратации цемента. В результате реакции воды и цемента вырабатывается гидроксид кальция. Далее в смесь добавляют алюминиевый порошок, который, вступая в реакцию с гидроксидом кальция, вызывает образование микроскопических пузырьков водорода, что приводит к увеличению объема смеси и формированию пористой структуры газобетона. Со временем водород заменяется воздухом. Полученную в результате смесь разливают по формам и отправляют в автоклав. Автоклав представляет собой большой сосуд с паровым обогревом под высоким давлением. При автоклавировании газобетон в течение некоторого времени (8-16 часов) затвердевает в камере при высокой температуре и высоком давлении (4-16 МПа). В результате получается ячеистый бетон с высокой прочностью и низкой усадкой после высыхания.
2. Свойства ячеистого бетона
Ячеистый бетон обладает следующими характеристиками: плотность 300-1800 кг/м3, прочность на сжатие 0,5-10 МПа, теплопроводность 0,1-0,6 Вт/мК, модуль упругости 800-1200 МПа, усадка 0,06-0,35 % [7].
Первое комплексное исследование состава, технологии и свойств пенобетона выполнили Valore и др. в 1954-м году [8,9]. Современные исследования пенобетона посвящены численной и экспериментальной оценке влияния различных видов добавок и пенообразователей на физические, механические и тепловые свойства пенобетона. Наиболее важными параметрами, влияющими на свойства пенобетона, являются микроструктура и состав, которые, в свою очередь, зависят от пористости, параметров пор, стабильности пены и водоцементного отношения [10-14]. В следующих подразделах рассмотрим подробнее механические, тепловые и огнестойкие свойства ячеистых бетонов.
2.1. Механические свойства
Характеристиками, определяющими механические свойства ячеистых бетонов, являются прочность на сжатие, прочность на изгиб и модуль упругости. Эти характеристики зависят от плотности и пористости бетона. Kearsley и др. [15] исследовали влияние пористости на прочность пенобетона. Значения пористости различных образцов пенобетона находились в диапазоне от 27 до 62,6 %. Результаты исследований показали, что пенобетоны с низкой пористостью имеют более высокие значения прочности на сжатие. Например, прочность пенобетона с пористостью 28,2 % составила 85,4 МПа, пенобетона с пористостью 37,2 % - 46,7 МПа.
В свою очередь, плотность и пористость ячеистого бетона изменяются в зависимости от типа пенообразователя и его количества. He и др. [16] исследовали влияние пенообразователя на свойства щелочно-шлакового пенобетона. В качестве пенообразователей авторы использовали а-олефинсульфонат натрия (AOS), додецилсульфат натрия (K12) и сульфат спиртового эфира натрия (AES). Результаты исследований показали, что при равном количестве пенообразователя AES обеспечивает более высокую пористость (65,7-66%), чем другие пенообразователи (60,4-65%). Высокая пористость обуславливает низкую прочность на сжатие образцов пенобетона с AES, которая составила от 0,76 до 0,99 МПа. Для сравнения, прочность пенобетона с AOS составила от 1,3 до 2,34 МПа.
Kuzielová и др. [17] исследовали влияние различного объема пены и её микроволновой и ультразвуковой обработки на свойства пенобетона. Результаты экспериментальных исследований показали, что увеличение объема пены с 1 до 2,5 л ведет к снижению плотности пенобетона с 880 до 480 кг/м3 в случае необработанной пены и с 860 до 530 кг/м3 в случае обработанной пены. Обработанная пена показала более высокую стабильность и обеспечила более высокую прочность пенобетона, до 2,5 МПа.
Hou и др. [18] исследовали влияние типа пенообразователя на свойства пенобетона. В качестве пенообразователей авторы использовали: додецилсульфат натрия (ДСН), бромид цетилтриметиламмония (БЦТА), эмульгатор 0П-10 с чистотой 99%, гидролизованный белок (ГБ). Пенобетон, синтезированный с ДСН, показал наибольшую плотность (1750 кг/м3) среди исследованных образцов. Из-за высокой плотности, образец с ДСН показал также высокие значения теплопроводности и прочности. Похожее исследование провели авторы работы [19]. Xiong и др. исследовали
влияние различных ПАВ (синтетических, на основе растительных белков и на основе животных белков) на свойства пенобетона. Также для улучшения свойств пенобетона авторы добавили нанооксид алюминия. Результаты исследований показали, что механические свойства пенобетона с добавлением нанооксида алюминия и синтетических ПАВ выше, чем в остальных исследованных случаях.
Так как ячеистый бетон в целом имеет более низкие значения прочности, чем обычный бетон, многие исследования направлены на повышение прочности ячеистых бетонов путем добавления различного типа и количества наполнителей [ 20]. Bing и др. [21] изготовили пенобетон с добавлением волокон полипропилена (I II I) и исследовали его свойства. Результаты исследований представлены на рисунке 4. Серии 1 и 2 отличаются составами вяжущего компонента: в серии 1 использовались цемент и зольная пыль, а в серии 2 - цемент, зольная пыль и кремнезем. Из графика видно, что добавление волокон II и кремнезема привело к повышению прочности пенобетона на сжатие.
Рис. 5. График изменения прочности на сжатие пенобетонов с волокнами полипропилена и без них при различном содержании пенообразователя [21]
Fig. 5. Graph of change in compressive strength of foamed concrete with and without polypropylene fibers at different content of blowing agent [21 ]
Авторы работы [22] исследовали влияние вида наполнителя на свойства пенобетона. В качестве наполнителей авторы использовали песок и золу уноса. Помимо вида наполнителя, исследовалось влияние размера частиц песка на характеристики пенобетона. Результаты исследований показали, что использование песка с более мелкими частицами способствует повышению прочности пенобетона до 13 МПа при плотности 1200 кг/м3. Ещё большего повышения прочности можно достичь, заменив песок на золу уноса: в таком случае пенобетон плотностью 1150 кг/м3 будет иметь прочность на сжатие 19 МПа. Однако необходимо учесть, что добавление золы уноса способствует повышению гидрофильности бетона, что негативно влияет на его теплоизоляционные свойства.
Shang и др. [23] разработали пенобетон, в котором в качестве формообразователя и наполнителя использовали шарики из альгината натрия, покрытые летучей золой. По сравнению с обычным пенобетоном, новый легкий пенобетон с наполнителем имел на 53,8% более высокую прочность на сжатие и на 81,1% более высокий модуль упругости. Теплопроводность нового пенобетона была снижена на 51,8%. Таким образом, бетон с шариками из альгината натрия показал высокие механические и тепловые свойства, сохраняя плотность на уровне традиционного пенобетона.
Низкая прочность пенобетона является основным препятствием для его применения в строительстве несущих конструкций. Одним из методов повышения прочности пенобетона является добавление в пену активированного щелочью шлака Са(ОН)2 [24]. Пенобетон с добавлением Са(ОН)2 обладает более однородной структурой и более узким распределением пор по размерам, благодаря чему имеет более высокие значения прочности. Другими менее распространенными способами улучшения механических характеристик пенобетонов являются применение суперпластификаторов, воздействие высоких температур, применение магний-фосфатного цемента, а также добавление синтетических волокон [25]. Al-Shwaiter и др. [26] исследовали влияние содержания суперпластификатора (СП) на свойства пенобетона. В качестве СП авторы
использовали поликарбоксилат. Результаты исследования показали, что увеличение содержания СП привело к повышению прочности пенобетона на изгиб и снижению водопоглощения. В работе [27] авторы исследовали влияние высоких температур (200, 400 и 600 °С) на характеристики пенобетонов. Исследования проводились на пенобетонах с плотностями 650, 1000 и 1850 кг/м3. Результаты исследований показали, что с повышением температуры плотность пенобетона снижается, что объясняется испарением воды. Чем выше исходная плотность пенобетона, тем быстрее она снижается с ростом температуры. Снижение плотности объясняет ухудшение прочности пенобетона: в диапазоне температур от 0 до 600 °С прочность на сжатие снизилась с 5,5 до 2,4 МПа, прочность на растяжение при изгибе с 0,82 до 0,38 МПа, для пенобетона плотностью 650 кг/м3. Для улучшения свойств пенобетона применяют цемент оксихлорида магния или магний-фосфатный цемент, которые по сравнению с обычным цементом имеют более легкий вес, высокую прочность, коррозионную стойкость и низкую теплопроводность. Главным недостатком таких цементов является их низкая водостойкость [28].
2.2. Тепловые свойства
Основной характеристикой, определяющей тепловые свойства ячеистого бетона, является теплопроводность. В отличие от обычного бетона, ячеистые бетоны отличаются низкой теплопроводностью, из-за чего их активно применяют для улучшения тепловой изоляции зданий. В таблице 3 показаны сравнительные значения плотности и теплопроводности традиционных строительных и теплоизоляционных материалов. Согласно данным таблицы, ячеистый бетон обладает значительно меньшими плотностью и теплопроводностью, чем обычный бетон: при плотности пенобетона в 1200 кг/м3 его теплопроводность составила 0,38 Вт/мК, при плотности обычного бетона 2400 кг/м3 его теплопроводность составила 1,3 Вт/мК.
Таблица 3 Table 3
Сравнительные значения теплопроводности традиционных строительных и теплоизоляционных материалов [29] Comparative values of thermal conductivity of traditional construction and thermal insulation _materials [29]_
Материал Плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/мК
Мрамор 2700 2,9
Бетон 2400 1,3
Пористый глиняный 2000 0,8
кирпич
Пенобетон 1200 0,38
Пенобетон 1000 0,23
Пенобетон 800 0,18
Пенобетон 600 0,14
Пенобетон 400 0,10
Пробка 100 0,030
Силикатная вата 100 0,032
Пенополистирол 25 0,030
Пенополистирол 35 0,022
Основными параметрами, влияющими на тепловые свойства ячеистых бетонов, являются плотность, пористость и размер ячеек, которые определяются содержанием пенообразователя. Увеличение количества пенообразователя способствует повышению пористости, снижению прочности на сжатие и снижению теплопроводности ячеистого бетона. Уменьшение среднего размера ячейки также способствует значительному снижению теплопроводности.
Исследованию факторов, влияющих на тепловые свойства ячеистого бетона, посвящено множество научных работ [30-34].
Mydin и др. [30] экспериментально исследовали тепловые свойства легкого пенобетона различной плотности: 650, 1000 и 1850 кг/м3. Авторы исследовали теплопроводность и теплоемкость легкого пенобетона в широком диапазоне температур: от 20 до 250 °С. Результаты исследований показали, что теплоемкость и теплопроводность пенобетона увеличиваются вместе с увеличением плотности.
Zhao и др. [31] численно исследовали влияние пористости, размера пор и коэффициента перекрытия на тепловые свойства пенобетона. Результаты исследований показали, что с увеличением размера пор и коэффициента перекрытия теплопроводность пенобетона повышается. Увеличение пористости, напротив, приводит к снижению теплопроводности пенобетона.
Wei и др. [32] исследовали влияние содержания пены на свойства пенобетона, результаты сравнивались с характеристиками обычного бетона. Добавление 84% пены в цементную смесь позволило получить пенобетон с плотностью 300 кг/м3, что в несколько раз меньше плотности бетона (1900 кг/м3), приготовленного без пены. Теплопроводность при этом снизилась с 0,5 до 0,065 Вт/мК, прочность на сжатие уменьшилась с 45,5 до 0,42 МПа.
Для снижения теплопроводности пенобетона авторы [3 3] предложили применение наночастиц крахмала в качестве стабилизатора пены с добавлением синтетических поверхностно-активных веществ. Авторы выяснили, что использование стабилизатора в виде наночастиц крахмала способствовало уменьшению среднего размера пор, повышению прочности и снижению теплопроводности пенобетона.
Suleyman Gokge и др. [34] исследовали влияние содержания пены, золы уноса и микрокремнезема на свойства пенобетона. Содержание пены варьировалось от 0 до 47%, содержание золы уноса и микрокремнезема от 0 до 20% цемента. Результаты экспериментальных исследований показали, что повышение содержания пены способствует снижению плотности и теплопроводности пенобетона и повышению его пористости. Прочность пенобетона при этом также снижается. Частицы золы уноса способствуют значительному снижению теплопроводности пенобетона, а добавление микрокремнезема приводит к повышению прочности пенобетона.
Таким образом, контроль тепловых свойств ячеистого бетона осуществляется путем изменения количества пенообразователя и добавления различных наполнителей.
2.3. Огнестойкость ячеистого бетона
Среди прочих характеристик ячеистых бетонов следует отметить его высокую огнестойкость. Ячеистые бетоны не горят и не выделяют опасные вещества при воздействии огня. В работе [3 5] авторы сообщают, что ячеистый бетон с плотностью 950 кг/м3 способен выдерживать горение до 3,5 часов, в то время как бетон с плотностью 1200 кг/м3 выдерживает горение на протяжении 2-х часов. Это означает, что в течение 2-х часов бетон будет сохранять несущую способность и целостность и обеспечивать низкую температуру на противоположной пожару поверхности стены. Quang Li и др. [36] численно оценили огнестойкость пенобетона и сравнили полученные результаты с характеристиками традиционного твердого бетона. Авторы рассчитали температурные поля стен из ячеистого и твердого бетона в случае пожара. Результаты исследований показали, что температура внутренней поверхности стены из пенобетона сохраняется на уровне 20 °С в течение шести минут от начала пожара, в то время как температура внешней поверхности стены достигает 1039 °С. В аналогичных условиях температура внутренней поверхности стены из обычного бетона достигала 150 °С. Таким образом, пенобетон показал более высокую огнестойкость по сравнению с обычным бетоном.
На огнестойкость ячеистых бетонов оказывают влияние различные факторы, такие как плотность, толщина бетонного блока. Чем ниже плотность бетона и чем больше толщина бетонного блока, тем выше его огнестойкость. Также сообщается, что добавление различного вида наполнителей отрицательно сказывается на огнестойкости ячеистых бетонов [37].
3. Композитные материалы на основе ячеистого бетона
Самым дорогостоящим материалом в составе пенобетона является цемент. Для снижения стоимости пенобетона, уменьшения его плотности и улучшения тепло- и звукоизоляционных свойств разрабатываются композитные пенобетоны с добавлением альтернативных мелких заполнителей, таких как летучая зола, известь, мел или бетонный щебень [38-40]. Известно о разработке сверхлегких бетонов с несколькими типами наполнителей, благодаря чему достигаются низкие значения плотности и теплопроводности при сохранении высоких значений прочности композита [ 41]. Однако стоит отметить, что производство таких многокомпонентных композитов сопровождается высокими материальными затратами, и не всегда является целесообразным.
Pasupathy и др. [42] разработали пенобетон с добавлением вспученного перлита вместо песка и оценили характеристики композита как в свежем, так и в затвердевшем состоянии. Пенобетон со вспученным перлитом показал высокие значения предела
текучести и кажущейся вязкости. Значения прочности на сжатие в перпендикулярном, продольном и поперечном направлениях для пенобетона без перлита составили соответственно: 5,5; 8,4 и 4,2 МПа, для пенобетона с перлитом: 12,95; 15,5 и 10,6 МПа. Таким образом, замена части песка перлитом способствовало повышению прочности пенобетона.
Seker и др. [43] изготовили пенобетон с добавлением микрокремнезема. Авторы синтезировали пенобетон со сверхнизкой плотностью 220 кг/м3. Полученный образец показал низкую прочность на сжатие 0,32 МПа, и крайне низкую теплопроводность 0,060 Вт/мК.
Stolz и др. [44] исследовали свойства ячеистого бетона, изготовленного с добавлением гидроксида натрия и активированной щелочью летучей золой. Летучая зола использовалась в качестве замены цемента для снижения стоимости пенобетона и улучшения его консистенции. Авторы изготовили три образца со значениями плотности 940, 1130 и 1310 кг/м3. Исследования характеристик показали, что образцы композитных пенобетонов обладают характеристиками, сравнимыми с традиционными ячеистыми бетонами, при этом обладают высокой прочностью на сжатие до 9,3 МПа, модулем упругости до 1740 МПа и низкой теплопроводностью до 0,23 Вт/мК.
Lesovik и др. [45] разработали пенобетон на основе композитного вяжущего материала портландцемент/опока/зола уноса. Авторы исследовали физические, тепловые и механические свойства полученных пенобетонов и цементных паст. Результаты исследований показали, что пенобетоны на основе композитных вяжущих материалов имеют невысокую плотность 500-700 кг/м3, низкую теплопроводность 0,1 Вт/мК и высокую прочность на сжатие 4,3 МПа.
Нередко для улучшения теплоизоляционных характеристик пенобетона, снижения его плотности и веса в состав смеси добавляют гранулы полистирола. Laukaitis и др. [4 6] исследовали влияние размера гранул полистирола на характеристики пенобетона. Авторы изготовили образцы с гранулами крупного (5-10 мм), среднего (2,5-5 мм) и маленького (2,5 мм) размера. Результаты исследований показали, что при неизменном соотношении цемента и гранул, пенобетоны с маленькими гранулами имеют более высокие значения плотности, чем пенобетоны с крупными гранулами. Исследования тепловых и механических свойств показали, что наименьшие значения теплопроводности ~0,06 Вт/мК имеют пенобетоны с мелкими гранулами (2,5 мм), а самые высокие значения прочности на сжатие ~0,75 МПа показали пенобетоны с гранулами средних размеров (2,5-5 мм).
Композиты на основе автоклавного ячеистого бетона и диоксида титана TiO 2 нашли широкое применение в области фотокаталитического удаления органических соединений. De Andrade и др. [47] изготовили композитный материал, состоящий из диоксида титана TiO2, нанесенного на поверхность автоклавного ячеистого бетона. Авторы исследовали фотокаталитическую активность композита при воздействии на него ультрафиолетового излучения. Результаты исследований показали, что воздействие УФ-излучения повышает эффективность удаления органических соединений до 100%. Suave и др. [48] дополнили композит из ячеистого бетона и диоксида титана различными содержанием озонированного графена. Результаты исследований характеристик нового композита показали, что введение 8% озонированного графена привело к улучшению фотокаталитической активности композита при разложении метиленового синего. Авторы объясняют этот эффект увеличением адсорбции метиленового синего композитным фотокатализатором при повышении содержания озонированного графена.
Широкое распространение получила технология производства композитных легких бетонов с добавлением стеклянных полых микросфер (hollow glass microsphere -HGM). Такие композитные материалы называют синтактическими пенами. В отличие от воздушных пустот, образующихся в бетоне с помощью пенообразователей или газообразующих химикатов, HGM представляет собой микронного размера сферу, состоящую из твердой стеклянной оболочки и внутреннего ядра, заполненного инертным газом. На рисунке 6 представлена модель элементарной ячейки синтактической пены, состоящая из трех фаз: матричного материала из цемента, твердой оболочки микросферы и газа внутри неё. На рисунке 7 представлены изображения полых стеклянных микросфер различных размеров, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии.
Рис. 6. Модель элементарной ячейки Fig. 6. Unit cell model of syntactic foam
синтактической пены, состоящая из трех фаз consisting of three phases [49]
[49]
Рис. 7. Изображения полых стеклянных микросфер различных размеров, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии [50]
Fig. 7. Images of hollow glass microspheres of different sizes obtained by scanning electron microscopy [50]
HGM имеет явное преимущество перед воздушными пустотами, которое заключается в возможности точно контролировать размер HGM и его количество, что оказывает существенное влияние на свойства композита [51]. Кроме того, HGM характеризуется высокой прочностью на сжатие, хорошей текучестью и низким водопоглощением. Lee и др. [52] сообщают о высокой прочности на сжатие композитного бетона с HGM, которая достигла 97 МПа при плотности композита менее 1500 кг/м3. Для сравнения, прочность на сжатие традиционных пенобетонов с воздушными пустотами составляет около 10 МПа при плотности 1200 кг/м3 [53]. Добавление HGM в цементный раствор позволяет получать ячеистые бетоны с высокими теплоизоляционными свойствами. В работе [54] сообщается о снижении теплопроводности композита на 58% при добавлении 40 об.% HGM. Согласно исследованиям Wang и др. [55], добавление 56 об.% HGM в цементную матрицу приводит к снижению теплопроводности на 47% по сравнению с чистым бетоном без наполнителя. Таким образом, добавление HGM в цементные растворы позволяет получать легкие бетоны с улучшенными тепловыми и механическими характеристиками [56].
На тепловые свойства пенобетона с микросферами оказывают влияние несколько факторов: количество наполнителя, значения теплопроводности цементной матрицы и теплопроводности твердой стенки микросферы. Согласно результатами исследования, проведенного Wang др. [57], увеличение объемной доли микросфер в цементной матрице способствует значительному снижению теплопроводности композитного пенобетона (Рисунок 8, a). Так, при содержании HGM 10% эффективная теплопроводность композита составляет 0,75 Вт/мК. Увеличение объемной доли HGM до 60% приводит к снижению эффективной теплопроводности до 0,16 Вт/мК. Увеличение толщины стенки микросферы также приводит к снижению теплопроводности (Рисунок 8, б). Такой эффект объясняется тем, что теплопроводность твердой стенки микросферы ниже теплопроводности цементной матрицы. Среди исследованных факторов наибольшее влияние на эффективную теплопроводность композита оказывает теплопроводность цементной матрицы (Рисунок 8, в).
Рис. 8. Эффективная теплопроводность композитного пенобетона с HGM в зависимости от: (а) объемной доли микросфер; (б) толщины стенки микросфер; (в) теплопроводности цементной матрицы [57]
Fig. 8. Effective thermal conductivity of composite foam concrete with HGM as a function of: (a) volume fraction of microspheres; (b) microsphere wall thickness; (c) thermal conductivity of cement matrix [57]
Применение стеклянных микросфер ограничивается их высокой стоимостью. В связи с этим многие ученые предлагают вместо HGM применять ценосферы - полые алюмосиликатные сферы размером в среднем 200 -400 мкм, образующиеся при факельном сжигании угля [58-62]. Ценосферы образуются в большом количестве на угольных тепловых электрических станциях и котельных. Использование ценосфер вместо HGM позволит удешевить производство композитных легких бетонов и одновременно утилизировать отходы электростанций.
Выводы (Conclusions)
Ячеистые бетоны появились в первой половине XX века и начиная с 1950-х годов активно применяются в строительстве. Замена традиционного бетона ячеистым бетоном при возведении строительных конструкций позволяет упростить сам процесс возведения и транспортировку строительных блоков благодаря их легкому весу. Низкая теплопроводность ячеистых бетонов позволяет существенно снизить тепловую нагрузку здания тем самым снизив энергопотребление. И в связи с мировой тенденцией к снижению потребления энергетических и топливных ресурсов, ячеистые бетоны получают всё большее применение в строительном секторе. В данной работе проведен широкий обзор исследований, посвященных изучению свойств высокопористых ячеистых бетонов, факторов, влияющих на эти свойства, и разработке композитных бетонов с улучшенными тепловыми и механическими характеристиками. Приведена классификация ячеистых бетонов и сферы их применения. По способу формирования пористой структуры разделяют пенобетон и газобетон. Различие заключается в том, что для производства пенобетона применяют пенообразователи (моющие средства, смоляное мыло, гидролизованные белки и т.д.), а для производства газобетона в цементную смесь добавляют газообразующие химикаты, например, алюминиевый порошок или карбид кальция. По способу отверждения различают автоклавный и неавтоклавный ячеистый бетон. Неавтоклавный бетон сушится в естественных условиях, автоклавный - в специальной камере под воздействием высоких температур и давления. Наконец, по плотности различают ячеистые бетоны низкой (300 -600 кг/м3), средней (00-1200 кг/м3) и высокой (1200-1800 кг/м3) плотности, которые применяют, соответственно, для улучшения тепловой изоляции здания, для возведения ненесущих и несущих
конструкций.
В первом разделе приведено детальное описание способов производства ячеистых бетонов и их влияние на основные свойства. Вспенивание с добавлением пенообразователя является наиболее простым и экономичным способом получения ячеистого бетона. Количество и тип пенообразователя оказывает существенное влияние на структуру и характеристики пенобетона. Способ отверждения оказывает влияние на свойства ячеистого бетона. Автоклавный бетон характеризуется более высокими прочностными характеристиками в сравнении с неавтоклавным бетоном.
Во втором разделе представлен широкий обзор свойств ячеистых бетонов и проведен анализ факторов, влияющих на эти свойства. Выявлено, что основными характеристиками, определяющими тепловые и механические свойства ячеистых бетонов, являются плотность, пористость и наличие добавок. Плотность и пористость регулируются количеством и типом пенообразователя или газообразующего химиката. Увеличение количества пенообразователя приводит к формированию структуры с высокой пористостью и низкой плотностью. Такой ячеистый бетон характеризуется хорошей теплоизоляционной способностью, но имеет низкую прочность. И наоборот, уменьшение количества пенообразователя позволяет получить пенобетон с высокими значениями прочности и теплопроводности. Добавление различных наполнителей, таких как микрокремнезём и летучая зола, позволяет улучшить как тепловые, так и механические свойства ячеистого бетона, однако негативно влияет на его огнестойкость.
В третьем разделе представлен обзор современных композитных материалов на основе ячеистого бетона. Добавление в матрицу бетона различного вида наполнителей (вспученный перлит, ценосферы, стеклянные микросферы) позволяет получить композитный материал с высокими теплоизоляционными и прочностными характеристиками. Широкое распространение получили композиты со стеклянными полыми микросферами. Однако в связи с высокой стоимостью микросфер, всё большее внимание исследователей привлекает применение ценосфер. Использование ценосфер позволит решить проблему утилизации отходов угольных электрических станций и создавать экономичный композитный пенобетон с высокими тепловыми характеристиками.
Литература
1. Feng S., Zhou Y., Wang Y., Lei M. Experimental research on the dynamic mechanical properties and damage characteristics of lightweight foamed concrete under impact loading //International Journal of Impact Engineering. 2020. Vol. 140, pp. 103558.
2. Mindess S. (ed.). Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete //Woodhead Publishing. 2019.
3. Оглоблин М. И., Невский В. А. История развития газобетона //Инженерный вестник дона. 2013. Т. 27. №. 4 (27). С. 216.
4. Narayanan N., Ramamurthy K. Structure and properties of aerated concrete: a review //Cement and Concrete composites. 2000. Vol. 22, N 5, pp. 321-329.
5 Gagné R. Air entraining agents //Science and technology of concrete admixtures //Woodhead Publishing. 2016, pp. 379-391.
6. Newman J., Choo B. S. (ed.). Advanced concrete technology 2: concrete properties //Elsevier. 2003, pp. 2/7-2/9.
7. Liew A. C. M. New innovative lightweight foam concrete technology //Use of Foamed Concrete in Construction: Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 5 July 2005. Thomas Telford Publishing. 2005, pp. 45-50.
8. Valore R.C. Cellular concretes Part 1 composition and methods of preparation //Journal Proceedings. 1954, Vol.50, N 5, pp. 773-796.
9. Valore R.C. Cellular concretes part 2 physical properties //Journal Proceedings. 1954, Vol. 50, N 6, pp. 817-836.
10. Соловьева О.В., Соловьев С.А., Попкова О.С. Моделирование трехмерной структуры высокопористых ячеистых материалов и анализ качества модели на примере расчета перепада давления // Ученые записки Казанского университета. Серия физико-математические науки. 2018. Т. 160, Кн. 4. С. 681-694.
11. Соловьева О.В., Соловьев С.А., Талипова А.Р., Шакурова Р.З., Гилязов А.И. Исследование влияния пористости волокнистого материала на значение энергетической эффективности //Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №. 1(53). С. 56-64.
12. Zhang Z., Provis J.L., Reid A., Wang H. Mechanical, thermal insulation, thermal resistance
and acoustic absorption properties of geopolymer foam concrete //Cement and Concrete Composites. 2015, Vol. 62, pp. 97-105.
13. Соловьева О. В., Соловьев С. А., Ваньков Ю. В., Ахметова И. Г., Шакурова Р. З., Талипова А. Р. Исследование влияния геометрии высокопористого ячеистого материала на значение энергетической эффективности //Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т. 24. №. 3. С. 55-66.
14. Соловьева О.В., Соловьев С.А., Шакурова Р.З. Обзор современных керамических ячеистых материалов и композитов, применяемых в теплотехнике // Известия Вузов. Проблемы энергетики. 2023. Т. 25, № 1. С. 82-104.
15. Kearsley E. P., Wainwright P.J. The effect of porosity on the strength of foamed concrete //Cement and concrete research. 2002, Vol. 32, №. 2, pp. 233 -239.
16. He J., Gao Q., Song X., Bu X., He J. Effect of foaming agent on physical and mechanical properties of alkali-activated slag foamed concrete //Construction and Building Materials. 2019, Vol. 226, pp. 280-287.
17. Kuzielova E., Pach L., Palou M. Effect of activated foaming agent on the foam concrete properties //Construction and Building Materials. 2016, Vol. 125, pp. 998-1004.
18. Hou L., Li J., Lu Z., Niu Y. Influence of foaming agent on cement and foam concrete //Construction and Building Materials. 2021, Vol. 280, pp. 122399.
19. Xiong Y., Zhu Y., Chen C., Zhang Y. Effect of nano-alumina modified foaming agents on properties of foamed concrete //Construction and Building Materials. 2021, Vol. 267, pp. 121045.
20. Vu K. D., Bazhenova S. I. Modeling the influence of input factors on foam concrete properties //Magazine of Civil Engineering. 2021, N 3 (103), pp. 10311.
21. Bing C., Zhen W., Ning L. Experimental research on properties of high-strength foamed concrete //Journal of materials in civil engineering. 2012, Vol. 24, N 1, pp. 113-118.
22. Nambiar E. K. K., Ramamurthy K. Influence of filler type on the properties of foam concrete //Cement and concrete composites. 2006, Vol.28, N 5, pp. 475-480.
23. Shang X., Qu N., Li J. Development and functional characteristics of novel foam concrete //Construction and Building Materials. 2022. Vol. 324, pp. 126666.
24. Yuanliang X., Baoliang L., Chun C., Yamei Z. Properties of foamed concrete with Ca (OH) 2 as foam stabilizer //Cement and Concrete Composites. 2021, Vol. 118, pp. 103985.
25. Raj B., Sathyan D., Madhavan M.K., Raj A. Mechanical and durability properties of hybrid fiber reinforced foam concrete //Construction and Building Materials. 2020, Vol.245, pp. 118373.
26. Al-Shwaiter A., Awang H., Khalaf M. A. The influence of superplasticiser on mechanical, transport and microstructure properties of foam concrete //Journal of King Saud University-Engineering Sciences. 2021, Vol.35, N 2, pp. 101-109.
27. Mydin M. A. O., Wang Y. C. Mechanical properties of foamed concrete exposed to high temperatures //Construction and Building Materials. 2012, Vol. 26, N 1, pp. 638-654.
28. Hao Y., Li Y. Study on preparation and properties of modified magnesium oxychloride cement foam concrete //Construction and Building Materials. 2021, Vol.282, pp. 122708.
29. Zahari N.M., Rahman I.A., Zaidi A.M.A., Mujahid A. Foamed concrete: potential application in thermal insulation //Malaysian Technical Universities Conference on Engineering and Technology. 2009, pp. 47-52.
30. Othuman M. A., Wang Y. C. Elevated-temperature thermal properties of lightweight foamed concrete //Construction and Building Materials. 2011, Vol.25, N 2, pp. 705-716.
31. Zhao Z., Qu X., Pang J., Yang X., Wen H., Yu C., Chen C., Tian C., Li A., Zhao S. Numerical simulation of pore structure and heat transfer behavior in aerated concrete //Construction and Building Materials. 2023, Vol. 364, pp. 129934.
32. Wei S., Yiqiang C., Yunsheng Z., Jones M.R. Characterization and simulation of microstructure and thermal properties of foamed concrete //Construction and building materials. 2013, Vol. 47, pp. 1278-1291.
33. Song N., Li Z., Yi W., Wang S. Properties of foam concrete with hydrophobic starch nanoparticles as foam stabilizer //Journal of Building Engineering. 2022, Vol.56, pp. 104811.
34. Gokje H. S., Hatungimana D., Ramyar K. Effect of fly ash and silica fume on hardened properties of foam concrete //Construction and building materials. 2019, Vol.194, pp. 1-11.
35. Amran Y. H. M., Farzadnia N., Ali A. A. A. Properties and applications of foamed concrete; a review //Construction and Building Materials. 2015, Vol.101, pp. 990-1005.
36. Li Q., Wang H., Zhang Z., Reid A. Numerical simulation of porosity on thermal properties and fire resistance of foamed concrete //Journal of Sustainable Cement-Based Materials. 2013, Vol. 2, N 1, pp. 13-19.
37. Sayadi A.A., Tapia J.V., Neitzert T.R., Clifton G.C. Effects of expanded polystyrene (EPS) particles on fire resistance, thermal conductivity and compressive strength of foamed concrete
//Construction and building materials. 2016, Vol.112, pp. 716-724.
38. Walczak P., Szymanski P., Rozycka A. Autoclaved aerated concrete based on fly ash in density 350kg/m3 as an environmentally friendly material for energy-efficient constructions //Procedia Engineering. 2015, Vol.122, pp. 39-46.
39. Chen Y.L., Chang J.E., Lai Y.C., Chou M.I.M. A comprehensive study on the production of autoclaved aerated concrete: Effects of silica-lime-cement composition and autoclaving conditions //Construction and Building Materials. 2017, Vol.153, pp. 622-629.
40. Xiao J., Hao L., Cao W., Ye T. Influence of recycled powder derived from waste concrete on mechanical and thermal properties of foam concrete //Journal of Building Engineering. 2022, Vol.61, pp. 105203.
41. Guo P., Meng W., Du J., Stevenson L., Han B., Bao Y. Lightweight ultra-high-performance concrete (UHPC) with expanded glass aggregate: Development, characterization, and life-cycle assessment //Construction and Building Materials. 2023, Vol.371, pp. 130441.
42. Pasupathy K., Ramakrishnan S., Sanjayan J. Enhancing the properties of foam concrete 3D printing using porous aggregates //Cement and Concrete Composites. 2022, Vol.133, pp. 104687.
43. §eker B. §., Gokfe M., Toklu K. Investigation of the effect of silica fume and synthetic foam additive on cell structure in ultra-low density foam concrete //Case Studies in Construction Materials. 2022, Vol. 16, pp. e01062.
44. Stolz J., Boluk Y., Bindiganavile V. Mechanical, thermal and acoustic properties of cellular alkali activated fly ash concrete //Cement and Concrete Composites. 2018, Vol.94, pp. 24-32.
45. Lesovik V., Voronov V., Glagolev E., Fediuk R., Alaskhanov A., Amran Y.M., Murali G., Baranov A. Improving the behaviors of foam concrete through the use of composite binder //Journal of Building Engineering. 2020, Vol.31, pp. 101414.
46. Laukaitis A., Zurauskas R., Kerien J. The effect of foam polystyrene granules on cement composite properties //Cement and Concrete Composites. 2005, Vol.27, N 1, pp. 41-47.
47. De Andrade F.V., De Lima G.M., Augusti R., da Silva J. C.C., Coelho M.G., Paniago R., Machado I.R. A novel TiO2/autoclaved cellular concrete composite: From a precast building material to a new floating photocatalyst for degradation of organic water contaminants //Journal of Water Process Engineering. 2015, Vol.7 pp. 27-35.
48. Suave J., Amorim S. M., Moreira R. F. P. M. TiO2-graphene nanocomposite supported on floating autoclaved cellular concrete for photocatalytic removal of organic compounds //Journal of environmental chemical engineering. 2017, Vol.5, N 4, pp. 3215-3223.
49. Liu B., Wang H., Yin Z. Numerical Prediction of Thermal Conductivity of Hollow Glass Microsphere-Filled Cement Composites //Journal of Advanced Research in Materials Science. 2016, Vol.4, N 1, pp. 9-19.
50. Kabay N., Kizilkanat A.B., Akturk B., Kahraman Y. Lightweight cement-based composites incorporating hollow glass microspheres: Fresh and hardened state properties //Teknik Dergi. 2020, Vol.33, N 1, pp 11543-11567.
51. Ueki Peres C.Y., Munhoz A.H., Miranda L.F., Neto A.C., Zandonadi A.R., Peres R. M., Diaz F. R.V. Concrete with addition of hollow glass microspheres //Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd. 2015, Vol. 820, pp. 509-514.
52. Lee N., Pae J., Kang S.H., Kim H.K., Moon J. Development of high strength & lightweight cementitious composites using hollow glass microsphere in a low water-to-cement matrix //Cement and Concrete Composites. 2022, Vol.130, pp. 104541.
53. Aldridge D. Introduction to foamed concrete: what, why, how? //Use of foamed concrete in construction: Proceedings of the international conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 5 July 2005. Thomas Telford Publishing. 2005, pp. 1-14.
54. Соловьев С.А., Соловьева О.В., Ахметова И.Г., Ваньков Ю.В., Шакурова Р.З. Численное исследование теплопроводности композитного теплоизоляционного материала с микрогранулами //Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т. 24. №. 1. С. 86-98.
55. Wang H., Hou F., Chang C. Experimental and computational modeling of thermal conductivity of cementitious syntactic foams filled with hollow glass microspheres //Construction and Building Materials. 2020, Vol.265, pp. 120739.
56. Scott N. R., Stoddard D. L., Nelms M. D., Wallace Z., Turner I., Turner L., Croom M., Franklin K., Sandifer S., Al-fahdi M.S.A., Butler T., Rajendran A. M. Experimental and computational characterization of glass microsphere-cementitious composites //Cement and Concrete Research. 2022, Vol.152, pp. 106671.
57. Wang H., Hou F., Zhao X. J. Simulation of thermal behavior in hollow-glass-microsphere-filled cement composites //American Journal of Materials Science and Technology. 2015, Vol. 4, N 1, pp. 1-11.
58. Duan H., Chen B., Lang L. Novel Plastering Mortar Incorporating Cenospheres for Autoclaved Aerated Concrete Based on Magnesium Phosphate Cement //Journal of Materials in Civil Engineering. 2021, Vol.33, N 4, pp. 04021020.
59. Hanif A., Usman M., Lu Z., Cheng Y., Li Z. Flexural fatigue behavior of thin laminated cementitious composites incorporating cenosphere fillers //Materials & Design. 2018, Vol.140, pp. 267277.
60. Liu Z., Zhao K., Tang Y., Hu C. Preparation of a cenosphere curing agent and its application to foam concrete //Advances in Materials Science and Engineering. 2019.
61. Hajimohammadi A., Ngo T., Provis J.L., Kim T., Vongsvivut J. High strength/density ratio in a syntactic foam made from one-part mix geopolymer and cenospheres //Composites Part B: Engineering. 2019, Vol.173, pp. 106908.
62. Huang Z., Padmaja K., Li S., Liew J.R. Mechanical properties and microstructure of ultra-lightweight cement composites with fly ash cenospheres after exposure to high temperatures //Construction and building materials. 2018, Vol.164, pp. 760-774.
Авторы публикации
Соловьева Ольга Викторовна - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий, строительство зданий и сооружений» (ЭОС), заведующая научно-исследовательской лабораторией «Разработка энергоэффективных теплообменников» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Соловьев Сергей Анатольевич - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Инженерная кибернетика» (ИК) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Шакурова Розалина Зуфаровна - аспирант Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
References
1. Feng S., Zhou Y., Wang Y., Lei M. Experimental research on the dynamic mechanical properties and damage characteristics of lightweight foamed concrete under impact loading. International Journal of Impact Engineering. 2020;140:103558. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2020.103558.
2. Mindess S. (ed.). Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete. Woodhead Publishing. 2019.
3. Ogloblin M. I., Nevsky V. A. The history of the development of aerated concrete. Engineering journal of Don. 2013; 27(4):216.
4. Narayanan N., Ramamurthy K. Structure and properties of aerated concrete: a review. Cement and Concrete composites. 2000; 22(5):321-329. doi: 10.1016/S0958-9465(00)00016-0.
5. Gagné R. Air entraining agents //Science and technology of concrete admixtures. Woodhead Publishing. 2016; 379-391. doi: 10.1016/B978-0-08-100693-1.00017-5.
6. Newman J., Choo B. S. (ed.). Advanced concrete technology 2: concrete properties. Elsevier. 2003, pp. 2/7-2/9.
7. Liew A. C. M. New innovative lightweight foam concrete technology. Use of Foamed Concrete in Construction: Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 5 July 2005. Thomas Telford Publishing. 2005; 45-50.
8. Valore R.C. Cellular concretes Part 1 composition and methods of preparation. Journal Proceedings. 1954;50(5):773-796.
9. Valore R.C. Cellular concretes part 2 physical properties. Journal Proceedings. 1954;50(6):817-836.
10. Solovev S.A., Soloveva O.V., Popkova O.S. Modeling of the three-dimensional structure of open cell foam and analysis of the model quality using the example of pressure drop calculation. Uchenie Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2018; 160(4): 681-694.
11. Soloveva O.V., Solovev S.A., Talipova A.R., Shakurova R.Z., Gilyazov A.I. Study of the influence of the porosity of a fibrous material on the energy efficiency value. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta. 2022;14(1):56-64.
12. Zhang Z., Provis J.L., Reid A., Wang H. Mechanical, thermal insulation, thermal resistance and acoustic absorption properties of geopolymer foam concrete. Cement and Concrete Composites. 2015:62:97-105. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2015.03.013.
13 Soloveva O.V., Solovev S.A., Vankov Y.V., Akhmetova I.G., Shakurova R.Z., Talipova A.R. Determination of the effect of the open cell foam material geometry on the value of energy efficiency.
Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24(3):55-66. doi: 10.30724/1998-9903-202224-3-55-65.
14. Soloveva O.V., Solovev S.A., Shakurova R.Z. Review Of Modern Ceramic Cellular Materials And Composites Used In Heat Engineering. Power engineering: research, equipment, technology. 2023;25(1):82-104. doi: 10.30724/1998-9903-2023-25-1-82-104.
15. Kearsley E. P., Wainwright P.J. The effect of porosity on the strength of foamed concrete. Cement and concrete research. 2002;32(2):233-239. doi: 10.1016/S0008-8846(01)00665-2.
16. He J., Gao Q., Song X., Bu X., He J. Effect of foaming agent on physical and mechanical properties of alkali-activated slag foamed concrete. Construction and Building Materials. 2019; 226:280287. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.07.302.
17. Kuzielova E., Pach L., Palou M. Effect of activated foaming agent on the foam concrete properties. Construction and Building Materials. 2016;125:998-1004. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.08.122.
18. Hou L., Li J., Lu Z., Niu Y. Influence of foaming agent on cement and foam concrete. Construction and Building Materials. 2021;280:122399. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122399.
19. Xiong Y., Zhu Y., Chen C., Zhang Y. Effect of nano-alumina modified foaming agents on properties of foamed concrete. Construction and Building Materials. 2021;267:121045. doi: 10.1016/j. conbuildmat.2020.121045.
20. Vu K. D., Bazhenova S. I. Modeling the influence of input factors on foam concrete properties. Magazine of Civil Engineering. 2021;3(103):10311. doi: 10.34910/MCE.103.11.
21. Bing C., Zhen W., Ning L. Experimental research on properties of high-strength foamed concrete. Journal of materials in civil engineering. 2012;24(1):113-118. doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000353.
22. Nambiar E. K. K., Ramamurthy K. Influence of filler type on the properties of foam concrete. Cement and concrete composites. 2006;28(5):475-480. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2005.12.001.
23. Shang X., Qu N., Li J. Development and functional characteristics of novel foam concrete. Construction and Building Materials. 2022;324:126666. doi: 10.1016/j. conbuildmat.2022.126666.
24. Yuanliang X., Baoliang L., Chun C., Yamei Z. Properties of foamed concrete with Ca (OH) 2 as foam stabilizer. Cement and Concrete Composites. 2021;118:103985. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2021.103985.
25. Raj B., Sathyan D., Madhavan M.K., Raj A. Mechanical and durability properties of hybrid fiber reinforced foam concrete. Construction and Building Materials. 2020;245:118373. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118373.
26. Al-Shwaiter A., Awang H., Khalaf M. A. The influence of superplasticiser on mechanical, transport and microstructure properties of foam concrete. Journal of King Saud University-Engineering Sciences. 2021;35(2):101-109. doi: 10.1016/j.jksues.2021.02.010.
27. Mydin M. A. O., Wang Y. C. Mechanical properties of foamed concrete exposed to high temperatures. Construction and Building Materials. 2012;26(1):638-654. doi: 10.1016/j. conbuildmat.2011.06.067.
28. Hao Y., Li Y. Study on preparation and properties of modified magnesium oxychloride cement foam concrete. Construction and Building Materials. 2021;282:122708. doi: 10.1016/j. conbuildmat.2021.122708.
29. Zahari N.M., Rahman I.A., Zaidi A.M.A., Mujahid A. Foamed concrete: potential application in thermal insulation. Malaysian Technical Universities Conference on Engineering and Technology. 2009;47-52.
30. Othuman M. A., Wang Y. C. Elevated-temperature thermal properties of lightweight foamed concrete. Construction and Building Materials. 2011;25(2):705-716. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2010.07.016.
31. Zhao Z., Qu X., Pang J., Yang X., Wen H., Yu C., Chen C., Tian C., Li A., Zhao S. Numerical simulation of pore structure and heat transfer behavior in aerated concrete. Construction and Building Materials. 2023;364:129934. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129934.
32. Wei S., Yiqiang C., Yunsheng Z., Jones M.R. Characterization and simulation of microstructure and thermal properties of foamed concrete. Construction and building materials. 2013;47:1278-1291. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.06.027.
33. Song N., Li Z., Yi W., Wang S. Properties of foam concrete with hydrophobic starch nanoparticles as foam stabilizer. Journal of Building Engineering. 2022;56:104811. doi: 10.1016/j.jobe.2022.104811.
34. Gokje H. S., Hatungimana D., Ramyar K. Effect of fly ash and silica fume on hardened properties of foam concrete. Construction and building materials. 2019;194:1-11. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.11.036.
35. Amran Y. H. M., Farzadnia N., Ali A. A. A. Properties and applications of foamed concrete; a
review. Construction and Building Materials. 2015;101:990-1005. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2015.10.112.
36. Li Q., Wang H., Zhang Z., Reid A. Numerical simulation of porosity on thermal properties and fire resistance of foamed concrete. Journal of Sustainable Cement-Based Materials. 2013;2(1): 13-19. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.02.218.
37. Sayadi A.A., Tapia J.V., Neitzert T.R., Clifton G.C. Effects of expanded polystyrene (EPS) particles on fire resistance, thermal conductivity and compressive strength of foamed concrete. Construction and building materials. 2016;112:716-724. doi: 10.1016/j.ceramint.2010.07.028.
38. Walczak P., Szymanski P., Rozycka A. Autoclaved aerated concrete based on fly ash in density 350kg/m3 as an environmentally friendly material for energy-efficient constructions. Procedia Engineering. 2015;122:39-46. doi: 10.1016/j.proeng.2015.10.005.
39. Chen Y.L., Chang J.E., Lai Y.C., Chou M.I.M. A comprehensive study on the production of autoclaved aerated concrete: Effects of silica-lime-cement composition and autoclaving conditions. Construction and Building Materials. 2017;153:622-629. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.07.116.
40. Xiao J., Hao L., Cao W., Ye T. Influence of recycled powder derived from waste concrete on mechanical and thermal properties of foam concrete. Journal of Building Engineering. 2022;61:105203. doi: 10.1016/j.jobe.2022.105203.
41. Guo P., Meng W., Du J., Stevenson L., Han B., Bao Y. Lightweight ultra-high-performance concrete (UHPC) with expanded glass aggregate: Development, characterization, and life-cycle assessment. Construction and Building Materials. 2023;371:130441. doi: 10.1016/j. conbuildmat.202 3.130441.
42. Pasupathy K., Ramakrishnan S., Sanjayan J. Enhancing the properties of foam concrete 3D printing using porous aggregates. Cement and Concrete Composites. 2022;133:104687. doi: 10.1016/j. cemconcomp.2022.104687.
43. §eker B. §., Gokfe M., Toklu K. Investigation of the effect of silica fume and synthetic foam additive on cell structure in ultra-low density foam concrete. Case Studies in Construction Materials. 2022;16: e01062. doi: 10.1016/j.cscm.2022.e01062.
44. Stolz J., Boluk Y., Bindiganavile V. Mechanical, thermal and acoustic properties of cellular alkali activated fly ash concrete. Cement and Concrete Composites. 2018;94:24-32. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2018.08.004.
45. Lesovik V., Voronov V., Glagolev E., Fediuk R., Alaskhanov A., Amran Y.M., Murali G., Baranov A. Improving the behaviors of foam concrete through the use of composite binder. Journal of Building Engineering. 2020;31:101414. doi: 10.1016/j.jobe.2020.101414.
46. Laukaitis A., Zurauskas R., Kerien J. The effect of foam polystyrene granules on cement composite properties. Cement and Concrete Composites. 2005;27(1):41-47. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2003.09.004.
47. De Andrade F.V., De Lima G.M., Augusti R., da Silva J. C.C., Coelho M.G., Paniago R., Machado I.R. A novel TiO2/autoclaved cellular concrete composite: From a precast building material to a new floating photocatalyst for degradation of organic water contaminants. Journal of Water Process Engineering. 2015;7:27-35. doi: 10.1016/j.jwpe.2015.04.005.
48. Suave J., Amorim S. M., Moreira R. F. P. M. TiO2-graphene nanocomposite supported on floating autoclaved cellular concrete for photocatalytic removal of organic compounds. Journal of environmental chemical engineering. 2017;5(4):3215-3223. doi: 10.1016/j.jece.2017.06.028.
49. Liu B., Wang H., Yin Z. Numerical Prediction of Thermal Conductivity of Hollow Glass Microsphere-Filled Cement Composites. Journal of Advanced Research in Materials Science. 2016;24(1):9-19.
50. Kabay N., Kizilkanat A.B., Akturk B., Kahraman Y. Lightweight cement-based composites incorporating hollow glass microspheres: Fresh and hardened state properties. Teknik Dergi. 2020;33(1 ):11543-11567. doi: 10.18400/tekderg.677447.
51. Ueki Peres C.Y., Munhoz A.H., Miranda L.F., Neto A.C., Zandonadi A.R., Peres R. M., Diaz F. R.V. Concrete with addition of hollow glass microspheres. Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd. 2015,820:509-514. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.820.509.
52. Lee N., Pae J., Kang S.H., Kim H.K., Moon J. Development of high strength & lightweight cementitious composites using hollow glass microsphere in a low water-to-cement matrix. Cement and Concrete Composites. 2022;130:104541. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2022.104541.
53. Aldridge D. Introduction to foamed concrete: what, why, how?. Use of foamed concrete in construction: Proceedings of the international conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 5 July 2005. Thomas Telford Publishing. 2005:1-14. doi: 10.1007/s10934-011-9477-6.
54. Solovev S.A., Soloveva O.V., Akhmetova I.G., Vankov Y.V, Shakurova R.Z., Numerical investigation of the thermal conductivity of a composite heat-insulating material with microgranules. Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24(1):86-98. doi: 10.30724/1998-9903-2022-
24-1-86-98.
55. Wang H., Hou F., Chang C. Experimental and computational modeling of thermal conductivity of cementitious syntactic foams filled with hollow glass microspheres. Construction and Building Materials. 2020;265:120739. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120739.
56. Scott N. R., Stoddard D. L., Nelms M. D., Wallace Z., Turner I., Turner L., Croom M., Franklin K., Sandifer S., Al-fahdi M.S.A., Butler T., Rajendran A. M. Experimental and computational characterization of glass microsphere-cementitious composites. Cement and Concrete Research. 2022;152:106671. doi: 10.1016/j.cemconres.2021.106671.
57. Wang H., Hou F., Zhao X. J. Simulation of thermal behavior in hollow-glass-microsphere-filled cement composites. American Journal of Materials Science and Technology. 2015;4(1):1-11. doi: 10.7726/ajmst.2015.1001.
58. Duan H., Chen B., Lang L. Novel Plastering Mortar Incorporating Cenospheres for Autoclaved Aerated Concrete Based on Magnesium Phosphate Cement. Journal of Materials in Civil Engineering. 2021;33(4):04021020. doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003646.
59. Hanif A., Usman M., Lu Z., Cheng Y., Li Z. Flexural fatigue behavior of thin laminated cementitious composites incorporating cenosphere fillers. Materials & Design. 2018;140:267-277. doi: 10.1016/j.matdes.2017.12.003.
60. Liu Z., Zhao K., Tang Y., Hu C. Preparation of a cenosphere curing agent and its application to foam concrete. Advances in Materials Science and Engineering. 2019. doi: 10.1155/2019/7523492.
61. Hajimohammadi A., Ngo T., Provis J.L., Kim T., Vongsvivut J. High strength/density ratio in a syntactic foam made from one-part mix geopolymer and cenospheres. Composites Part B: Engineering. 2019;173:106908. doi: 10.1016/j.compositesb.2019.106908.
62. Huang Z., Padmaja K., Li S., Liew J.R. Mechanical properties and microstructure of ultra-lightweight cement composites with fly ash cenospheres after exposure to high temperatures. Construction and building materials. 2018;164:760-774. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.01.009.
Authors of the publication
Olga V. Soloveva - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Sergei A. Solovev - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Rozalina Z. Shakurova - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Шифр научной специальности: 2.4.5. Энергетические системы и комплексы Получено 01.12.2023 г.
Отредактировано 12.12.2023 г.
Принято 11.01.2024 г.
