УДК691.328.35
Т.Ф.Ткаченко, В.Т.Перцев, А.В.Крылова
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
В настоящее время в строительстве изыскиваются пути перехода к более эффективным материалам, обеспечивающим экономию капитальных и энергетических затрат. 
Речь идет о получении изделий и конструкций с высокими теплоизоляционными свойствами.
Одно из направлений поиска ориентировано на использование ячеистых бетонов марок по плотности D400…600, что позволяет вернуть «разумную» толщину стен и обеспечить значительное снижение материалоемкости. Однако, как известно, инвестирования производства ячеистых бетонов практически не происходит и из-за сложности технологии, значительной энергоемкости производства, высокой стоимости оборудования, ограниченности номенклатуры изделий, обусловленной автоклавным способом тепловой обработки. На этом фоне значительно привлекательнее для инвесторов «выглядят» поризованные бетоны, технология которых легко приспосабливается к существующей технологии мало загруженных в настоящее время заводов ЖБИ.
Поризованный бетон в определенной мере является аналогом пенобетона, но выгодно отличается от него относительной простотой технологических процессов производства и более высокой эксплуатационной трещиностойкостью. Многолетние испытания в натурных условиях показали, что поризованные бетоны успешно сопротивляются физической коррозии, в частности, они отличаются высокой морозостойкостью. На кафедре технологии строительных изделий и конструкций ВГАСУ, начиная с 1975 года, ведутся обширные исследования по созданию поризованного мелкозернистого бетона с улучшенными свойствами. И хотя поризованный бетон и принципы его получения достаточно хорошо известны, применительно к «стеновому» и «теплоизоляционному» материалу пришлось основательно пересмотреть и уточнить ряд некоторых важных технологических положений.
Главная практическая задача технологии поризованного бетона состоит в обеспечении стабильных по величине и устойчивых во времени характеристик порового пространства, гарантирующих получение бетона с заданной средней плотностью и приемлемые сроки набора «распалубочной» и «отпускной» прочности. В этом плане особенно большого внимания требуют технологические приемы получения поризованного бетона с показателем плотности менее 600 кг/м3.
Рассмотрим основные аспекты технологии поризованных бетонов, определяющие его качественные показатели.
Нами используется наиболее технологичный способ приготовления бетонной смеси с поризацией за счет вовлечения воздуха в процессе интенсивного перемешивания в присутствии специальных «супервоздухововлекающих» добавок. Ранее выполненные исследования показали, что традиционные воздухововлекающие добавки (ВВД) являются недостаточно «сильными» для обеспечения высокой степени поризации бетонной смеси; ряд добавок, таких как АОС-1214, ТЭАС [1] дают обильную, но недостаточно устойчивую пену. Последними исследованиями было установлено, что более эффективными порообразующими добавками являются комплексные ВВД полифункционального действия [2]. Эти добавки специально приспособлены для такого способа применения, способствуя молекулярной и механической диффузии газообразной фазы в смесь, оказывая сильное стабилизирующее действие на формирующиеся воздушные пузырьки, их взаимодействие с частицами твердой фазы.
Механизмы воздухововлечения сложны из-за совместного влияния многочисленных физико-химических факторов. Анализ теоретических и экспериментальных данных о процессах массопереноса в многофазных системах с учетом физико-механических свойств обводненных дисперсно-зернистых систем в выбранных условиях перемешивания позволил констатировать следующее. Воздухововлечение при перемешивании обводненных дисперсно-зернистых систем вследствие массопереноса газовой фазы может осуществляться за счет: межфазной турбулентности и адсорбции газа на постоянно обновляющейся поверхности. Диффузия же воздуха в обводненную дисперсно-зернистую среду вероятно очень не значительна из-за малой растворимости воздуха в воде, а так же поверхностной пленки, образующейся вследствие адсорбции ПАВ на границе раздела «газ-жидкость». Оценку массопереноса газовой фазы при перемешивании обводненной дисперсно-зернистой системы в первом приближении можно получить с помощью уравнения (1). Предполагая при этом, что средняя скорость обновления поверхности постоянна на всех участках и определяется частотой вращения ротора смесителя, а вероятность смены участков поверхности в заданный момент времени не зависит от продолжительности процесса [3].
Выполненные предварительные расчеты с использованием (1) и результаты экспериментов показали, что воздухововлечение в систему обеспечивается в основном за счет межфазной турбулентности.
Можно предположить, что основными силами, определяющими формирование газовой фазы (замкнутых пызырьков) в дисперсно-зернистых системах при их механическом перемешивании являются силы связи воды в системе, препятствующие оттоку воды из неё, и силы поверхностного натяжения, обеспечивающие образование пузырьков. Рост воздухововлечения в системах имеет непосредственную связь с изменением баланса внутренних сил систем. При сильно раздвинутых частицах преобладает стягивающий эффект, которому соответствует отрицательное давление
Процесс воздухововлечения начинается, практически, с периода преобладания капиллярных сил при l >l1 . В этой области силы поверхностного натяжения становятся сравнимы с силами связи воды в системе и достаточными для образования пузырьков газовой фазы. Совместное рассмотрение зависимостей P(l) и P1(l) с зависимостями плотности свободноуложенных систем «цемент-вода» и поризованных систем «цемент+вода+ТЭАС» от В/Ц – отношения полностью подтверждает наше предположение о влиянии капиллярно-пленочных взаимодействий на процессы воздухововлечения.
Устойчивость газовой фазы, вовлеченной при перемешивании дисперсно-зернистой системы, определяется многочисленными факторами. Преимущественное влияние на устойчивость пузырьков газовой фазы оказывают режимы работы и конструктивное устройство смесителей. Выполненный анализ показал, что разрушение газовых пузырьков в данных условиях может происходить из-за так называемой неустойчивости Кельвина–Гельмгольца, характеризуемой критерием Вебера [3]:
Выполненные нами исследования подтвердили правомочность использования критерия Вебера и условия разрушения пузырьков для процессов поризации бетонов. Полученная экспериментальная зависимость относительной величины устойчивости газовых пузырьков от критерия Рейнольдса, учитывающего соотношение вязких и инерционных сил (рис.3), позволяет определить область неустойчивого сосуществования пузырьков при поризации газонаполненных бетонов в смесителях турбинного типа. Применение этой зависимости в расчетах при проектировании смесителей для приготовления газонаполненных бетонов подтвердили правомерность сделанных выше утверждений.
Анализ режимов приготовления поризованной смеси с точки зрения обеспечения ее качества показывает, что время перемешивания целесообразно поддерживать в пределах 5-7 минут. Немаловажное значение также имеют геометрическое соотношение рабочих органов смесителя и характер течений, которые они обеспечивают. На устойчивость получаемой массы большое влияние оказывают порядок загрузки исходных сырьевых компонентов и предварительная активация смеси.
Для снижения усадочных деформаций изделий из поризованного бетона предлагается комплекс мер, прежде всего, это введение микронаполнителя и специальных расширяющих добавок.
При достаточно успешной отработке рассмотренных вопросов в проблеме производственной реализации процессов твердения поризованного бетона имеются трудности, источники которых лежат в основном в его совершенной мелкоячеистой структуре, характеризуемой равномерно распределенной замкнутой пористостью, низкой влаго- и газопроницаемостью пор. В то же время исследования показывают, что к поризованному бетону подходит любой тепловой метод ускоренного твердения, однако использовать эти методы следует весьма умело. Ускоренное твердение бетона за счет введения добавок электролита позволяет в летний период, не применяя тепловую обработку, через 1 сутки производить операции распалубки и резки массива, а через 7 суток отправлять готовую продукцию потребителю.
Библиографический список
- Крылова, А.В., Уколова, А.В., Гаврилова, Н.Л. Эффективные воздухововлекающие добавки для поризации цементных систем /Материалы V акад. чтений РААСН. Современные проблемы строительного материаловедения.- Воронеж: ВГАСУ, 1999.- С.222-224.
- Добавки в бетон. Справочное пособие/В.С.Рамачандран.- М.: Стройиздат, 1988.- 571 с.
- Кафаров, В.В. Основы массопередачи. — М.: Высшая школа, 1979.- 439 с
