Технология ячеистых бетонов
Производство изделий из теплоизоляционного ячеистого бетона включает следующие основные технологические операции: подготовку сырьевых материалов, приготовление ячепстобетонной смеси, формование изделий и их тепловлажностную обработку.
Подготовка сырьевых компонентов. Для того чтобы обеспечить повышенную устойчивость поризованной массы на стадиях формования изделий и набора структурной прочности, а также для создания большего объема цементирующих новообразований при твердении, в технологии теплоизоляционных ячеистых бетонов используют тонкодисперсные композиции. Тонкому измельчению подвергаются кремнеземистый компонент и известь. Цемент и алюминиевая пудра, как правило, помолу не подвергаются, так как они уже имеют достаточно высокую удельную поверхность. Однако дополнительное измельчение этих компонентов в составе смеси обеспечивает акгпвнвзацпю вяжущего и газообразователя, а также существенно повышает однородность смеси, что положительно отражается па всех свойствах ячеистого бетона н позволяет получать материалы с низкой средней плотностью (подробнее см. гл. 5).
На практике применяют два способа подготовки сырьевых материалов:
Мокрый помол основной массы кремнеземистого компонента (песка) и сухой помол известково-песчаного вяжущего (при соотношении п. шестт.'песок, равном 1 '?) Содержание ионы в песчаном шламе поддерживают на уровне, обеспечивающем хорошую его текучесть (плотность шлама около 1,6 г/см3);
•.чп>
Совместный сухой помол компонентов сырьевой шихты — извести, цемента и песка при влажности последнего не выше 2% по массе.
После помола основные компоненты сырьевой смеси должны характеризоваться следующей дисперсностью Sya, см2/г: кремнеземистый компонент (песок)—не менее 1500...2000; известь — 4500 ... 5000; цемент — 3000 ... 4000.
Как мокрый, так и сухой помол должен проводиться в присутствии ПАВ, что интенсифицирует измельчение, частично предотвращает агрегирование (слипание) частиц, уменьшает намол металла. Дозировка ПАВ — 0,1... 0,25% от массы сухих компонен - тов.
Приготовление ячеистобетонной смеси. Способы приготовления формовочных масс зависят от принятой на данном производстве технологии (литьевой или вибрационной) и вида применяемого иорообразователя. Эта технологическая операция при газо - и пе- нобегоппом производствах имеет различные конечные задачи При газобетонной технологии приготовление формовочной смеси включает дозирование и смешивание всех компонентов до получения однородного раствора с заданными технологическими свойствами. Поризация раствора в этом случае происходит на стадии формования изделий. Наиболе важным фактором, влияющим на ячеистую структуру ячеистобетонной смеси и готового ячеистого бетона, является равномерность распределения небольшого количества (0,6... 0,7 кг/м3) газообразователя (алюминиевой пудры) во всем объеме смеси.
При пенобетонной технологии конечной целью данной технологической операции является получение готовой поризованной массы с заданными характеристиками.
Газобетонную смесь приготовляют следующим образом. От - дозированные компоненты смеси загружают в вертикальный самоходный газобетоносмеситель емкостью 5 м3 при включенном перемешивающем механизме. Загрузку производят в такой последовательности: песчаный или зольный шлам, недостающее количество воды, вяжущее, газообразователь. Добавки — гипс, жидкое стекло, ПАВ и др. —вводят в смеситель совместно с вяжущим. Алюминиевую пудру обезжиривают путем активного перемешивания в растворе ПАВ и вводят в приготовляемую газобетонную смесь в виде суспензии.
Перемешивание составляющих до загрузки газообразователя производят 3... 5 мин, после загрузки газообразователя—1 ... ... 3 мин во время перемещения газобетоносмесителя к формовочному посту.
При вибрационной технологии перемешивание осуществляется при вибрации корпуса смесителя.
При нрш отоплении смеси для пенобетона в смеси гель с готовым раствором, содержащим кремнеземистый компонент, вяжущее и добавки, вводят техническую пену, которую получают в специальном пеновзбивателе. Газобетонную смесь приготовляют в одном смесительном аппарате, а пенобетонную ячеистую массу— в трехбарабанном, реже в двухбарабанном смесителе (пено - бетоносмеснтеле).
Приготовление формовочных масс для газобетона предусматривает подогрев шлама и воды до 40... 50°С для достижения температуры смеси не ниже 35°С. Это обеспечивает интенсификацию взаимодействия алюминиевой пудры с Са(ОН)2 раствора.
Проектирование составов ячеистобетонных смесей осуществляют, исходя из заданной средней плотности ячеистого бетона, применяемых видов вяжущего и кремнеземистого компонента, вида тепловлажностной обработки. При этом стремятся получить максимальную прочность при минимально возможном расходе вяжущего и порообразователя.
Подробно проектирование составов теплоизоляционных ячеистых бетонов изложено в лабораторном практикуме по технологии теплоизоляционных материалов.
Формование изделий из газо - и пенобетонной смеси. Газобетонная технология предусматривает вспучивание (поризацию) ячеистобетоннон смеси до заданных значений средней плотности непосредственно в форме. При пенобетонной технологии пенобе - тонная масса с заданными значениями пористости или средней плотности, достигнутыми в пенобетоносмесителе, заливается в формы на полный объем, причем в дальнейшем значительного изменения пористости не происходит.
В технологии газобетонных изделий стадия формования — одна из важнейших технологических операций, так как именно на этой стадии происходит формирование пористой структуры материала. Основное условие в этом процессе, которое должно неукоснительно соблюдаться, — соответствие кинетики газовыделения изменению реологических свойств массы.
Регулирование интенсивности этих двух процессов осуществляют путем изменения температуры поризуемой массы, а также изменением се водосодержання в совокупности г введением ПАВ или путем приложения к ней внешних динамических воздействии— вибрации. В соответствии с этим на практике применяют литьевую или вибрационную технологию формования глзобстон - ных изделий.
При литьевой технологии вспучивание яченстобетопной массы происходит в неподвижных формах в течение 25 ...50 мин, при вибровспучивании форму со смесью, установленную на впбро - площадке, вибрируют в течение всего процесса газовыделення (3...6 мин) с частотой 15... 150 ГЦ и амплитудой 0,6...0,2 мм.
Средняя плотность газобетона при постоянной дозировке газообразователя зависит от газоудержпвающеп способности смеси, которая, п свою очередь, определяется іимеиепнсм во времени ее структурно механических хараки риешк. Гс. ін смесь после газовыделення но будет обладать определенной устойчивостью (структурной прочностью), произойдет ее осадка, сопровождающаяся «ложным кипением» — прорывом газа из массы. В этом случае структура ячеистого бетона будет характеризоваться наличием большого количества сообщающихся пор, неоднородностью распределения пористости, неправильной формой пор. Если же схватывание будет опережать газовыделение, то смесь затвердеет до того, как завершится газовыделение и заданная средняя плотность ячеистого бетона не будет достигнута. В этом случае межпоровые перегородки будут пронизаны трещинами, не исключено наличие крупных трещин в массиве изделия. В результате эксплуатационные показатели материала будут существенно снижены.
Для исключения этих негативных явлений в процессе вспучивания и структурообразования газобетонных смесей необходимы условия, при которых скорости обоих процессов (газовыделения и изменения реологических свойств смеси) окажутся строго сбалансированными. Причем наилучшие условия для формирования структуры газобетона создаются тогда, когда показатели реологических свойств смеси возрастают медленно в начале процесса газообразования, а в конце его — быстро.
При литьевой технологии достижение необходимых условий для поризации газобетонной смеси осуществляют, изменяя ее температуру и водосодержание, вводя пластифицирующие добавки.
Наиболее эффективным приемом является вибровспучивание. Вибрационная технология, разработанная в СССР, базируется на использовании высоковязких газобетонных смесей с низким водо - твердым отношением — около 0,35... 0,4 против 0,55 ...0,65, оптимального для литьевой технологии. Под воздействием вибрации происходит тиксотропное разжижение газобетонной массы за счет высвобождения иммобилизованной воды. Кроме того, частицы массы при вибрации находятся в движении, т. е. система течет. В этих условиях предельное напряжение сдвига системы, оказывающее сопротивление образованию газовых пузырьков, снижается до минимума, что существенно облегчает начало порообразования в массе. Вязкость же массы может легко регулироваться изменением исходного водосодержания и интенсивности вибрации, которая предопределяет степень разрушения структуры пластично-вязкой системы (смеси) и, следовательно, изменение ее вязкости.
Прн вибровспучиванпи весьма полезно введение в смесь пластифицирующих добавок, что позволяет дополнительно снизить водосодержание смеси. При изготовлении теплоизоляционных газобетонных изделий, как показывает практика, наилучшие технико-экономические показатели достигаются при формовании крупных массивов с последующей их резкой на плиты заданных размеров. Прн формованім) таких массивов по вибрационной техпо- лої пи решающее влияние на условия поризации оказывают параметры ппГфнцпопиой обработки, которые должны изменяться в процессе вибровспучнвания: в начале процесса (до начала актнв - ного газовыделения) должна применяться низкочастотная вибрация с большой амплитудой («=10...25 Гц, /4=1... 1,25 мм), а при активном газовыделенни — высокочастотная вибрация (п = = 100.. 150 Гц, Л = 0,15... 0,2 мм). Она может передаваться на массу с помощью плавающего виброщнта. Предпочтительнее применять горизонтально направленную вибрацию, воздействие которой уменьшает вероятность вскипания массы при вспучивании, т. е. прорыва массы выделяющимися газами.
После прекращения вибрационных воздействий быстро восстанавливаются разрушенные вибрацией структурные связи, в результате резко возрастают пластическая прочность и несущая способность порнзованной массы, исключается ее осадка.
Таким образом, применение комплексной вибрационной технологии позволяет значительно снизить водотвердое отношение, интенсифицировать технологический процесс изготовления ячеистого бетона, повысить качество изделий.
Снижение водотвердого отношения (водосодержанпя) обеспечивает повышение плотности и прочности цементного камня, интенсификацию твердения вяжущего, уменьшение затрат теплоты на прогрев изделий в процессе их тепловлажностной обработки, уменьшение послеавтоклавной влажности, улучшение микропористой структуры межпоровых перегородок (уменьшение доли капиллярных пор) и повышение физико-технических свойств материала (снижение влажностной усадки, уменьшение водопоглоще - ния, повышение морозостойкости).
Интенсификация технологического процесса при применении вибрации выражается в ускорении процессов: гомогенизации на стадии приготовления ячеистобетонных масс за счет оптимизации реологических свойств и вибрационного перемещения частиц; газовыделения вследствие увеличения рН смеси, обнажения новых реакционных поверхностей на частицах алюминиевой пудры за счет «сдирания» продуктов реакции между А1 и Са(ОН)2; схватывания массы и приобретения массивами прочности, достаточной для их разрезки; тепловлажностного твердения массы из-за повышенной температуры массивов в момент начала тепловлажностной обработки.
Для получения теплоизоляционного бетона низкой средней плотности эффективно применять предварительную порнзацшо смеси, так называемую газопенную технологию Этот технологический прием осуществляют, аэрируя песчаный шлам на стадии мокрого помола песка в присутствии ПАВ или формовочную смесь на стадии приготовления ячеистобетонной массы в смесительном аппарате.
Формование газобетонных массивов осуществляют в металлических формах пысотой до 600 мм Перед заливкой массы формы должны быть тщательно очищены, смазаны, стыки уплотнены. Формы заполняют формовочной массой за один прием на высоту, обеспечивающую полное заполнение формы после вспучивания
•лы (высота заполнения составляет примерно 1/3). Высоту заполнения форм в зависимости от заданной средней плотности изделий определяют по формуле
Л = 1,2Л0-^, (10.1)
Рр
Где ho — высота формы; рм — заданная (расчетная) средняя плотность вспученной массы; рр — средняя плотность раствора.
Для обеспечения нормального вспучивания формовочной массы температура окружающей среды должна быть не ниже 18°С.
При литьевой технологии применяют стендовый метод. В этом случае формы устанавливают вдоль пути передвижения газобетоносмесителя, формы после их заполнения смесью не должны перемещаться или подвергаться сотрясениям вплоть до окончания процесса вспучивания и схватывания массы.
Формование изделий при вибрационной технологии осуществляется по агрегатно-поточной или конвейерной схеме. Подготовленные формы подаются на виброплощадку, жестко крепятся на ней, заполняются смесью и подвергаются вибрационной обработке, которая начинается одновременно с началом заливки массы. После окончания вибровспучивания форма передается на пост вызревания для набора прочности, обеспечивающей снятие горбушки и разрезку массива (его примерные размеры 6X1.5X0,6 м) на изделия. Горбушка образуется только при газообразовании, в пенобетоне она отсутствует. Операции по удалению горбушки и разрезке массивов производят на специальной машине с помощью металлических струн, совершающих возвратно-поступательное и вращательное движения.
Тепловлажностная обработка. Этот технологический процесс при получении эффективных теплоизоляционных ячеистых бетонов осуществляется автоклавированием при давлении 0,8... ... 1,3 МПа и температуре водяного пара 175... 191°С (в автоклавах диаметром 2; 2,6 или 3,6 м). Автоклавную обработку применяют для увеличения прочности изделий за счет связывания извести, которая вводится в сырьевую смесь для активизации газообразования или в качестве основного компонента вяжущего, с кремнеземистым компонентом.
По А. В. Волженскому, автоклавная обработка проходит в три стадии. Первая стадия начинается с момента пуска пара в автоклав и заканчивается при достижении равенства температур теплоносителя и изделий по всей их толщине. Изделие нагревается двумя путями: за счет теплопроводности и теплотой, выделяющейся при конденсации пара, который проникает в материал через его поры. При этом влажность изделий увеличивается. Начало второй стадии соответствует моменту выравнивания температуры изделия по его сочетанию. Решающие факторы, определяющие скорость прогрева изделий, — интенсивность подъема давления пара на первой стадии, значения исходной температуры и влажности ячеистобетонной массы. Быстрый подъем давления в автоклаве, повышение температуры массива во время поризации массы и снижение его влажности позволяют существенно сократить продолжительность первой стадии и всего цикла автоклав - нон обработки (табл. 10.2).
Таблица 10.2. Продолжительность прогрева газобетонных изделий со средней плотностью 350 кг/м3 при автоклавной обработке
|
Начало второй стадии автоклавной обработки совпадает с максимальным развитием химических и физико-химических процессов, обусловливающих формирование структуры цементирующего вещества и интенсивный набор прочности материалом. Основным процессом в автоклаве является взаимодействие Са(ОН)2 и Si02, в результате которого образуются гидросиликаты кальция. Первоначально в результате избытка насыщенного раствора Са(ОН)2 и недостатка в растворе силикат-ионов (вследствие медленного растворения кремнезема) образуются богатые известью двухосновные гидросиликаты кальция C2S(HA). В дальнейшем при полном связывании свободной Са(ОН)2 в высокоосновные гндроси - лнкаты кальция продолжающийся процесс растворения кремнезема приво/шт к образованию ннзкоосновных гндросиликатов кальция CSH(B) и тобермарита.
Формирование этих новообразований сопровождается интенсивным набором прочности. В случае применения смешанного вяжущего (цемент:известь^ 1:1) или цемента с 10%-ной добавкой извести помимо указанных процессов происходит ускоренное гпд- ратационное твердение клинкерных минералов по обычной схеме.
Продолжительность второй стадии - изобарогермнческой выдержки— определяется дисперсностью, активностью п соотношением компонентов вяжущего, а также водотвердым отношением и температурой обработки. На конечную микроструктуру межпоровых перегородок существенное влияние оказывают такие факторы, как тонкость помола кремнеземистого компонента, количественное соотношение межчу известью п кремнеземистым компонентом с учетом активности извести. С повышением топкости помола кремнеземне того компонента быстрее и полнее протекают процессы образования CSH(B). Для получения ннзкоосновных сплпка-
■iVi тов кальция соотношение между известью и кремнеземистым компонентом должно находиться в определенных пределах и уточняться с учетом активности извести и вида применяемого кремнеземистого компонента. Например, за исходное соотношение между вяжущим и кремнеземистым компонентом (при активности извести 70%) рекомендуется принимать (в весовых частях В:К): при применении портландцемента с 10%-ной добавкой извести ~1:1; при смешанном вяжущем (Ц:И=1) ~ 1:1,5; при использовании только извести —1:3.
Третья, конечная стадия автоклавной обработки — снижение температуры и давления пара. При этом из изделий интенсивно испаряется вода, что вызывает значительные напряжения, иногда превышающие прочность ячеистого бетона и приводящие к образованию трещин в изделиях. Для предотвращения трещинообра - зования при коротких режимах охлаждения применяют ступенчатый режим снижения давления пара.
Для испарения как можно большего количества воды из изделий в конце охлаждения в автоклаве создают некоторое разрежение, т. е. производят вакуумирование. Рациональные режимы автоклавной обработки теплоизоляционного ячеистого бетона приведены в табл. 10.3.
Таблица 10.3. Режимы автоклавной обработки теплоизоляционного ячеистого бетона со средней плотностью 200... 300 кг/м3
|
Примечание. При избыточном давлении в автоклаве 0,8 МПа продолжительность изо - баротермической выдержки увеличивается иа 1 ч, а при давлении 1,2 МПа — уменьшается н<1 I ч. |
При выпуске калиброванных теплоизоляционных изделий заготовки, на которые ячеистобетонные массивы разрезаются до или после автоклавной обработки, фрезеруют. Калиброванные изделия могут подвергаться поверхностной гидрофобизации на конвейерной линии для уменьшения увлажнения при транспортировании и монтаже. Готовые изделия из теплоизоляционного ячеистого бетона должны быть упакованы в пакеты и храниться в помещениях с хорошей вентиляцией. Транспортировать изделия следует в контейнерах, предохраняющих бетон от воздействия атмосферной влаги.
10.3. Перспективные направления совершенствования технологии и повышения качества теплоизоляционного ячеистого бетона
Ные исследования, выполняемые советскими и зарубежными учеными, показывают возможность дальнейшего существенного повышения качества теплоизоляционных ячеистых бетонов: снижения средней плотности, повышения прочности и морозостойкости, уменьшения гигроскопичности. Поэтому совершенствование технологии теплоизоляционных ячеистых бетонов должно вестись 13 сторону стабильного получения в заводских условиях изделий со средней плотностью 180... 200 кг/м3, прочностью при сжатии не менее 0,4 МПа и теплопроводностью 0,06... 0,07 Вт/(м-°С).
Исследования, выполненные в МИСИ им. В. В Куйбышева, НИПЖВе Госстроя СССР, ВПИПТенлопзоляцпп, других научно - исследовательских институтах н вузах, позволяют наметить технологические приемы, обеспечивающие достижение таких показателен свойств теплоизоляционных ячеистых бетонов.
Достигнуто это может быть путем формирования силикатного камня повышенной прочности, создания в материале поровой структуры, характеризующейся равномерным распределением пор в объеме изделия, и рациональным соотношением ячеистой и капиллярной пористости.
Повышение прочностных показателей силикатного камня, образующего несущий скелет ячеистого бетона, достигается следующими технологическими средствами:
Применением кремнеземистого компонента полнфракционного состава с целью снижения его межзерновой пустотностн и соответственно расхода вяжущего при одновременном повышении плотности межпоровых перегородок;
Повышением однородности яченстобетонной смеси; введением в состав яченстобетонной смеси тонкодиспергнро - ванных природных или искусственных стекол, приобретающих при автоклавной обработке в присутствии добавок-активизаторов твердения или без них высокие прочностные показатели; дисперсным армированием тонковолокнистой добавкой; повышением однородности яченстобетонной смеси за счет применения совместного помола компонентов и интенсивного перемешивания в скоростных внбро - и гидродинамических смесителях;
Осуществлением предавтоклавного «вызревания» яченстобетон - ных массивов в специальной камере при температуре 80... 90°С и влажности воздуха не выше 75%, что обеспечивает равномерный прогрев массы и снижение ее влажности более чем в 2 раза.
Формирование высококачественной структуры ячеистой пористости с общим объемом более 90% может быть достигнуто в результате: повышения однородности распределения алюминиевой пудры в яченстобетонной смеси; предварительной поризации массы на стадиях мокрого помола кремнеземистого компонента или при приготовлении ячеистобетонной массы в смесителе путем применения воздухововлекающих добавок; применения специальных газообразователей — гидрофильных газопаст и газопе- нопаст, характеризующихся отсутствием эффекта «старения» и хорошим распределением в ячеистобетонной массе, способствующих дополнительному воздухововлечению при перемешивании яченстобетонного раствора в смесителе; создания интенсивных внешних механических воздействий (вибрационных, колебательных, ударных, ультразвуковых и т. д.) на стадии вспучивания ячеистобетонной массы.
На стадии автоклавного твердения целесообразно запаривание при интенсивном подъеме температуры и давления предварительно разогретых и подсушенных ячеистобетонных массивов; изоба - ротермпческая выдержка должна быть короткой для предотвращении деструктивных явлений, которые могут иметь место в результате рекристаллизации новообразований. Однако она должна быть достаточной для обеспечения полного прохождения реакций, в результате которых образуются низкоосновные силикаты кальция. При назначении продолжительности изобаротермальной выдержки необходимо также учитывать массивность запариваемых изделий.
Сброс давления следует осуществлять быстро, в течение 1,5... ... 2 ч, что позволяет существенно снизить влажность изделий после автоклавной обработки.
Для повышения долговечности теплоизоляционных изделий из ячеистого бетона их поверхность следует покрывать специальными эмульсиями латексов, жидким стеклом, затирочными растворами с битумом, отходами нефтехимического синтеза.
Следует также иметь в виду, что извлечение ячеистобетонных изделий из автоклава после гидротермальной обработки сопровождается возникновением (особенно в массивах) значительных термических и влажностных напряжений, которые могут приводить к образованию микротрещин в силикатном камне и, как следствие, к снижению долговечности изделий.
Термические напряжения в изделиях возникают в результате температурного перепада между окружающей средой и температурой изделий. Напряжения этого рода от с достаточной степенью точности можно определить, пользуясь следующей зависимостью:
Ат = KEaAt (1 — v), (10.2)
Где К — коэффициент релаксации напряжений, зависящий от структурных характеристик силикатного камня (он всегда больше 0 и меньше 1); Е — модуль упругости силикатного камня; а — коэффициент линейного термического расширения силикатного камня; v — коэффициент Пуассона; At — разность температуры поверхности изделия и окружающей среды.
Неравномерная деформация изделий, обусловленная влагоотдачей при их остывании, также является причиной возникновения напряжений (влажностных) ow, величина которых зависит от интенсивности влагоотдачи ячеистым бетоном itn, т. е.
Ow=f(im). (10.3)
Таким образом, суммарное внутреннее напряжение, возникающее в остывающем ячеистом бетоне, равно
° = + О0-4)
Если а превышает прочность силикатного камня при растяжении, т. е. если а>стр, то в нем возникают микротрещины, которые развиваются в процессе эксплуатации.
На напряженное состояние ячеистого бетона оказывают влияние следующие факторы: микроструктура силикатного камня; анизотропия свойств ячеистого бетона (чем она ниже, тем больше значения коэффициента Пуассона и тем меньше напряжения); объем капиллярной пористости (чем он меньше, тем ниже напряжения); температурный градиент, который существенно влияет на ат и снижение которого значительно уменьшает внутренние напряжения в ячеистом бетоне; градиент потенциала переноса влаги в материале, уменьшение которого благоприятно сказывается на напряженном состоянии изделий.
Из всех перечисленных факторов наиболее легко управляемыми являются два последних. Их можно регулировать, применяя достаточно простые технологические приемы. Например, вакууми - рование автоклава позволяет существенно снизить влажность изделий; выдерживание изделий в специальных камерах при влажности воздуха 80 ...90% и температуре 60...80°С в течение 3... 6 ч практически полностью предотвращает образование микротрещин и примерно на 20% позволяет увеличить прочность ячеистого бетона.
В последнее время разработаны высокопроизводительные установки— пеногенераторы, применение которых в сочетании с высокоэффективными пенообразователями делают способ ценообразования при производстве ячеистых бетонов весьма перспективным. Особенно хорошие результаты получены прн способе сухой минерализации пены. В этом случае широкое использование может найти пеногипс.