Особенности получения автокланого пенобетона по резательной технологии

ГЛАВА II. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕНОБЕТОННЫХ МАССИВОВ.

2.1. Технологические особенности  приготовления пеномассива и  набора им резательной прочности.

На физико-химический профиль формирования пеноматериала в течение всего технологического цикла, в целом, и на период набора им резательной прочности, в частности, влияет ряд особенностей данной технологии.

Технологический цикл получения  автоклавного пенобетона по резательной технологии состоит из нескольких переделов и показан на схеме 2.1.1.

Схема 2.1.1. Основные этапы  твердения пеноизделий, определяющие их свойства и категорию качества.

Первый этап приготовления  пеноматериала состоит в смешении специально подготовленных сырьевых компонентах с получением пенобетона заданной плотности. При приготовлении пенобетонной массы используются следующие сырьевые компоненты: песок кварцевый, тонкомолотый, цемент Белгородский ПЦ М500 Д0, известь негашеная Белгородская 1 сорта, быстрогасящаяся, вода и пенообразующая добавка на протеиновой основе.

В данной технологии используется песок с содержанием SiO₂ (общий) не менее 90% или кварца не менее 85%, это требование связано с тем, что в автоклаве проходит реакции в системе СаО-SiO₂-Н₂О, обеспечивающая основную прочность пеноблоков; чем больше содержания кварца в песчаной составляющей, тем больше его свяжется в автоклаве при определенной тонкости помола и тем выше прочность получаемого пеноматериала. Содержание илистых или глинистых примесей в песке не должно превышать 3%, т.к. они оказывают негативное воздействие на гидратацию цемента. В смеситель песок поступает в виде песчаного шлама - продукта помола песка в мельнице мокрого помола; шлам имеет плотность 1600 кг/м³. Требуемая удельная поверхность песка в шламе для различных средних плотностей пенобетона приведена в табл.2.1.1.

Таблица 2.1.1.

Вяжущее - продукт совместного  помола извести с песком. Известь  используется с активностью по суммарному содержанию активных СаО и MgO не ниже 70%. Использование меньшей активности не целесообразно, т.к. ведет к меньшей доли СаО в сырье, вступающей в реакцию в автоклаве. Ограничение по содержанию MgO – не более 3%, по содержанию «пережога» - не более 2 %, т.к. эти компоненты в результате маленькой скорости гидратации могут гаситься в массиве при наборе им резательной прочности или при гидротермальной обработке, что и в том и другом случае может привести к появлению трещин. По этой же причине в данной технологии используется быстрогасящаяся известь – время гашения – до 8 минут, при этом процесс гидратации извести происходит в смесителе при приготовлении замеса. При совместном помоле извести с песком соотношение известь:песок подбирается таким образом, что бы активность вяжущего на выходе была в пределах 29-33%. Этот диапазон активности обеспечивает разогрев пеносмеси при ее приготовлении до нужной температуры за счет выделения тепла при гидратации извести. Использование вяжущего большей активности приводит к повышению температуры смеси и разрушению пены в смесители, меньшая активность вяжущего наоборот не достаточно нагревает пеносмесь и увеличивает в дальнейшем время набора им резательной прочности. Эта же причина не позволяет использовать гашеную известь в данной технологии. Удельная поверхность вяжущего после помола составляет - 5800-6200 м²/г.

При поризации смеси  используется пенообразующая добавка  на протеиновой основе следующего состава HSCH₂CH(NH₂)COOH. Выбор именно этого пенообразователя продиктован тем, что получаемая из него пена имеет большую подвижность по сравнению с другими пенами и хорошо смешивается с тонкомолотыми компонентами сырья в смесителе. Другие пены в силу своей жесткости не обеспечивают требуемой однородности пеносмеси при смешении, что ведет к недопустимому разбросу плотности в пределах одного массива, неравномерности его созревания до резки и не выдерживании геометрических параметров блоков при резке.

Составы автоклавного пенобетона различных  плотностей представлены в таблице 2.1.2.

Таблица 2.1.2.

Расход сырьевых материалов на 1м³ пенобетонной массы.

Сырьевые компоненты поступают в смеситель в следующей  последовательности:

1. Вода 

2. Песчаный шлам

3. Вяжущее 

4. Цемент

5. Пена

Подвижность смеси зависит  от В/В отношения и оценивается  после перемешивания в смесителе воды, песчаного шлама, вяжущего и цемента при помощи вискозиметра Суттарда (расплыва), см и имеет следующие значения (табл. 2.1.3.):

Таблица 2.1.3.

Самый большой расход воды требуется при получении  плотности пенобетона D400 для обеспечения механической устойчивости пены в смеси.

После перемешивания готовая пеносмесь имеет температуру на выходе из смесителя 28-32⁰С. Плотность пенобетонной массы, на выходе из смесителя составляет (табл. 2.1.4.):

Таблица2.1.4.

Далее пеносмесь выливается в формы, в которых пеноматериал набирает необходимую резательную прочность в течение »8 часов. Формы находятся в камере выдержки с постоянной температурой t=40⁰С.

Значения резательной  прочности для пенобетона различных средних плотностей лежат в следующих диапазонах (табл. 2.1.5.):

Таблица 2.1.5.

При наборе пеномассивом необходимой резательной прочности  происходит его транспортировка на пост резки, где массив разрезается струнами на блоки с размерами и допусками, регламентируемыми ГОСТ 21520-89 (таблица 2.1.6.).

Таблица 2.1.6.

Допустимые отклонения геометрических параметров в соответствии с ГОСТ 31360

Резательная автоклавная  технология получения автоклавного пенобетона имеет свои особенности, связанные с получением блоков первой категории качества.

Следует отметить, что первая категория  качества определяет дальнейшее использование пеноблоков в строительстве, что в свою очередь определяет теплозащитную способность кладки стены. При этом именно высшая, первая категория качества обеспечивает максимальную тепло- и экозащитность при соблюдении других показателей ГОСТ, поэтому она имеет принципиальное значение, так как разрешает кладку пеноблоков на клей. Следует отметить, что с учетом толщины шва и теплопроводности клея и раствора, теплопроводность мостиков холода (швов между блоками) отличается более чем на порядок, что и ведет к падению теплозащитности кладки стены.

2.2. Физико-химические  особенности формирования пеномассива  при наборе им резательной  прочности.

В технологическом процессе можно выделить следующие позиции, оказывающие наибольшее воздействие на процесс созревания массивом.

1. В данной технологии  используются известь и пенообразователь  на протеиновой основе, которые  оказывают тормозящее действие  на процессы гидратации цемента.

2. При приготовлении  пеносмеси выбираются достаточно  высокие В/В отношения, для  обеспечения необходимой подвижности  смеси. Это связано с тем,  что в жесткой смеси пена  подвержена механическому разрушению; это влечет за собой нежелательное  увеличение расхода пенообразователя для обеспечения заданной плотности раствора.

3. Использование пены  достаточно высокой плотности, (60-90 г/л) для обеспечения ее устойчивости  в смеси, что ведет к введению  в пеносмесь дополнительной воды.

4. Выбор высокого В/В отношения диктуется также использованием в технологии негашеной извести с временем гашения до 8 минут.

5. Использованием тонко  молотого песка с удельной  поверхностью » 300 м²/кг также требует увеличения В/В в системе, для обеспечения необходимой подвижности смеси.

Вышеперечисленные особенности технологии создают специфические условия, в которых происходит твердение цемента и оказывают негативное воздействие на скорость гидратации силикатов.

При решении взаимосвязи физико-химических превращений в массиве и наборе им резательной прочности исследовалось его поведение во времени, поскольку резка массива происходит в таком ее диапазоне, при котором его структура, как отражение определенного уровня превращений, позволяет получить пеноблоки первой категории качества. Эксперимент выполнялся в заводских условиях на пенобетонных массивах размером 600х1200х4650 мм, путем отбора проб во времени, остановкой гидратации и исследованием физико-химических процессов в массиве, соответствующих его резательной прочности.

Калориметрические исследования сравнения различных модельных  систем (рис.2.2.1.), показали, что присутствие  пены в системе значительно снижает суммарное тепловыделение, а следовательно, и процесс гидратации цемента. На рис. 2.2.2. показана интенсивность тепловыделения этих систем во времени. Самая высокая интенсивность соответствует системе №1 а самая низкая - системе №3, что также подтверждает негативное влияние пены на гидратацию цемента.

Рис.2.2.1 Изменение суммарного теплового эффекта различных систем:

1 - известь+цемент, 2- цемент, 3 – известь+цемент+пена.

Рис. 2.2.2. Изменение интенсивности  тепловыделения во времени для различных  систем: 1 - известь+цемент, 2- цемент, 3 – известь+цемент+пена.

Далее были проведены  калориметрические исследования образцов пеномассива средней плотности D500 в период набора им резательной прочности. Были исследованы образцы со следующими значениями резательной прочности: 0,014; 0,018; 0,024; 0,036 МПа (рис.2.2.3., 2.2.4.). Каждому из значений соответствует определенное время твердения с момента заливки пеномассы в формы.

Рис.2.2.3. Изменение суммарного теплового эффекта образцов пеномассива D500 различной резательной прочности: 1 – 0,036 МПа, 2 - 0,024 МПа, 3 - 0,018, 4 - 0,014 МПа.

Анализ калориметрических исследований, приведенный на рисунке 2.2.3., показывает, что наибольшее суммарное выделение тепла соответствует образцу с резательной прочность, равной 0,036 МПа, которое составляет 179 Дж/г и падает с ее уменьшением - 162,89 Дж/г, 157,34 Дж/г, 155,66 Дж/г соответственно для резательных прочностей – 0,024 МПа, 0,018 МПа, 0,014 МПа. Это может быть объяснено тем, что такая степень превращений в массиве максимально приближена к началу срока схватывания материала, а значит постепенному увеличению степени его гидратации. Данные рисунка 2.2.4. согласуются с данными рисунка 2.2.3. и показывают, что интенсивность тепловыделения образцов так же падает с уменьшением резательной прочности и ее значение со временем выравнивается.

Рис.2.2.4. Интенсивность тепловыделения образцов пеномассива D500 различной резательной прочности: 1 – 0,036 МПа, 2 - 0,024 МПа, 3 - 0,018, 4 - 0,014 МПа.

Из литературных данных известно, что гидросиликаты начинают образовываться сразу после смешения цемента с водой [121], следовательно, несмотря на замедленную скорость гидратации в системе должны присутствовать гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Так же известно [110, 111], что в этот период возможно образование низкоосновных гидросиликатов.

Проведенные исследования показали, что степень гидратации цемента в этом интервале времени невысокая. Рентгенофазовые исследования образцов пеномассива различной резательной прочности подтвердили высказанные ранее предположения. Рентгенограммы образцов пеномассивов средних плотностей D400…D600 показаны на рис. 2.2.5.-2.2.7. соответственно. На них обнаружены линии SiO₂ d/n=(3,33; 4,23; 1,81; 1,66; 1,65; 1,97; 2,12; 2,26; 2,43)×10^-10м, линии Ca(OH)₂ d/n=(4,93; 2,62; 1,92; 1,79; 1,68)×10^-10м, линии алита C₃S d/n=(1,76; 2,72; 2,75; 2,60; 3,02; 2,17)×10^-10м, линии C₂SH(C) d/n=(3,04; 1,92; 1,79; 2,70)×10^-10м, линии C₂SH₂ d/n=(3,08; 1,83; 1,97; 2,40)×10^-10м, линии CSH(B) d/n=(3,04; 1,81; 1,67; 2,79)×10^-10м, линии С₃АН₆ d/n=(2,23; 2,26; 3,36; 1,68)×10^-10м [2,3]. С увеличением резательной прочности на рентгенограммах можно наблюдать уменьшение интенсивности аналитической линии алита d/n=1,76×10^-10м, увеличение интенсивности линии С₃АН₆ d/n=(2,23; 1,68)×10^-10м, а так же рост интенсивности линии C₂SH(C) d/n=(1,92; 1,79)×10^-10м. На рис. 2.2.5. и 2.2.7., кривые 1 и 3 увеличивается интенсивность линии C₂SH₂ d/n=3,08×10^-10м. На основании, проведенного анализа можно сделать вывод о том, что степени гидратации цемента с увеличением времени выдержки массивов постепенно увеличивается.

Дериватографические исследования образцов различного времени выдержки приведены на рис. 2.2.8.-2.2.10. и в таблицах 2.2.1.-2.2.3. для соответствующих средних плотностей D400…D600.

Анализ дериватограмм  образцов пеномассивов согласуется  с данными рентгенофазового анализа. Эндоэффекты в области 565-580⁰С соответствует обратимому полиморфному превращению b-SiO₂ в a-SiO₂, эндоэффект в области 500-560⁰С - дегидратация портландита.

Дегидратация высокоосновных гидросиликатов С₂SH₂ и С₂SH(С) происходит в области эндоэффектов 120-150⁰С и 600-800⁰С соответственно. Гидроалюминат 3CaO×Al₂O₃×6SiO₂ теряют воду в области эндоэффектов 350-400⁰С и 500-520⁰С. Не большой экзоэффект, соответствующий температуре 860-890⁰С, относится к переходу продукта обезвоживания CSH(B) в волластонит. Экзоэффект в области 330-370⁰С возможно относится к реакции окисления органической составляющей композиционного материала – пенообразователя.

Расчет дериватограмм образцов этого интервала времени показал, что с увеличением резательной  прочности уменьшается общая потеря массы образцами и потеря воды при эндоэффекте до 180⁰С, которую можно определить как слабосвязанную (адсорбционную). При резательной прочности, соответствующей 0,036 МПа потеря массы на этом эффекте сводится к нулю.

Из расчетов и анализа дериватограмм был получен критерий резки массива, который равен значению содержания образцом массива адсорбционной воды в проценте от общей потери массы образцом, w, %. Для различных средних плотностей пенобетона этот критерий имеет свой диапазон, который соответствует резательной прочности от 0,024 до 0,03 МПа. Выход за рамки допустимого значения w, а следовательно за рамки допустимой резательной прочности ведет к некачественной резке массива и несоблюдению его геометрии и категории качества. Зависимость, отражающая дериватографический расчет по критерию w, % от изменений физико-механических свойств массива, отражаемых его резательной прочностью, показана на рисунке 2.2.11.

Рис. 2.2.5. Рентгенограмма образцов пеномассива средней плотности D400 при различной резательной прочности. 1-0,02 МПа, 2-0,024 МПа, 3-0,03 МПа

Рис. 2.2.6. Рентгенограмма образцов пеномассива средней плотности D500 при различной резательной прочности. 1-0,02 МПа, 2-0,026 МПа, 3-0,03 МПа, 4-0,036 МПа. 

Рис. 2.2.7. Рентгенограмма образцов пеномассива средней плотности D600 при различной резательной прочности. 1-0,02 МПа, 2-0,028 МПа, 3-0,03 МПа.

Рис. 2.2.8. Дериватограммы образцов массива средней плотности D400 при различной резательной прочности. 1-0,02 МПа, 2-0,024 МПа, 3-0,03 МПа, 4-0,036 МПа.

Рис. 2.2.9. Дериватограммы образцов массива средней плотности D500 при различной резательной прочности. 1-0,02 МПа, 2-0,026 МПа, 3-0,03 МПа, 4-0,036 МПа.

Рис. 2.2.10. Дериватограммы образцов массива средней плотности D600 при различной резательной прочности. 1-0,024 МПа, 2-0,028 МПа, 3-0,03 МПа, 4-0,036 МПа. 

Таблица 2.2.1

Дериватографический анализ образцов пенобетона средней плотности D400 в период набора резательной прочности

Таблица 2.2.2.

Дериватографический анализ образцов пенобетона средней плотности D500 в период набора резательной прочности

Таблица 2.2.3.

Дериватографический анализ образцов пенобетона средней плотности D600 в период набора резательной прочности

Рис.2.2.11. Взаимосвязь  критерия w, % и резательной прочности пеномассива 1 – D400, 2 – D500, 3 – D600.

Из рисунка следует, что значение w соответствует следующему диапазону для различных средних плотностей D400…D600 (2.24).

Таблица 2.2.4.

Максимальное значение параметра указанного диапазона соответствует материалу плотности D400 в следствии того, что при уменьшении плотности изготавливаемого пеноматериала при смешивании сырьевых компонентов увеличивают В/В отношение для обеспечения механической устойчивости пены в смеси (таблица 2.1.1.), что ведет к увеличению содержания воды в массиве.

Анализируя проведенные физико-химические исследования образцов массивов при  наборе ими резательной прочности  можно сделать следующие выводы. С увеличением времени выдержки идет набор прочности материалом за счет гидратации цемента и образования гидросиликатов. Известно [122], что высокоосновные гидросиликаты имеют более высокую удельную поверхность, по сравнению с низкоосновными, следовательно образование их в системе ведет к увеличению ее поверхностной энергии. С другой стороны, как было обнаружено, увеличение резательной прочности связано с уменьшением адсорбционной воды в массиве, что в свою очередь тоже приводит к увеличению общей суммарной поверхности системы, а соответственно и ее поверхностной энергии. То есть, по мере созревания массива растет его поверхностная энергия. Этот вывод подтверждает зависимость рисунка 2.2.3., когда механо-физическое поведение массива во времени отражает его резательная прочность, а поверхностную энергию - суммарный тепловой эффект. Рисунок 2.2.3. показывает, что по мере упрочнения массива растет на данном этапе его тепловыделение, что при прочих равных условиях свидетельствующее о росте энергии поверхности.

В целом, проведенный  анализ физико-химических превращений в массиве до момента резки, показан в таблице 2.2.5.

Таблица 2.2.5.

Основные физико-химические превращения в пеномассиве

2.3. Выводы по  главе.

1. Впервые рассмотрены  особенности физико-химических процессов  формирования пеноблоков автоклавного твердения по резательной технологии на этапе созревания массива и его резки, определен основной фазовый состав продуктов гидратации в этот период времени.

2. Показано, что достижение  первой категории качества материала  на этапе резки блоков характеризуется определенной степенью физико-химических превращений в пеномассиве; для характеристики этой степени введен показатель w, % соответствующий значению отношения содержания слабосвязанной (адсорбционной) воды в нем к общему количества потерь воды в образце. Определено, что если значение w лежит в пределах 23…5%, для средних плотностей D400…D600 соответственно, то резательная прочность массива равна от 0,024 до 0,030 МПа; показано, что соблюдение этих параметров обеспечивает качественную резку блоков для первой категории.

3. С учетом критических  значений найденного параметра w в массиве усовершенствована резательная машина, что обеспечило соблюдение требований в соответствии с ГОСТ 21520-89, необходимых для выпуска продукции первой категории.