Роль расширяющих добавок в управлении свойствами пенобетонов

Аннотация

Моргун В.Н.

Регулируя соотношение между Al2O3 и SO3 в составе цементного вяжущего, можно управлять вещественным составом новообразований и регулировать деформативные свойства фибропенобетонов.
Ключевые слова: пенобетон, фибропенобетон, расширяющие добавки

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Ростовский государственный строительный университет, Ростов-на-Дону

Пенобетоны, получают в результате отвердевания пенобетонных смесей – высоко обводненных дисперсных систем, свойства которых определяющим образом зависят от скорости замены вязких связей между компонентами  упругими. В технологии цементных бетонов управление  скоростью таких переходов осуществляют, как правило, с помощью химических добавок, часть из которых способна, кроме того влиять на параметры собственных деформаций [1]. Ранее  установлено, что расширяющие добавки в составе портландцемента обуславливают высокую скорость уменьшения объёма межчастичной влаги в пенобетонных смесях [2] и этот процесс обуславливает скачкообразное  падение упругости пенных пленок в период, когда новообразования цементного камня ещё не готовы противостоять напряжениям, развивающимся под действием массы компонентов смеси. Поэтому пенобетонные смеси с расширяющими добавками расслаиваются [3]. Автором экспериментально установлена критическая зависимость свойств пенобетонных смесей от содержания в них пенообразователя. Выявлены диапазоны концентраций пенообразователя, позволяющие исследуемым смесям сохранять агрегативную устойчивость. Для неармированных пенобетонных смесей диапазон допустимых концентраций пенообразователя, внутри которого сохраняется агрегативная устойчивость смесей, примерно в 5 раз уже, чем для дисперсно армированных. То есть дисперсное армирование отрезками волокон уменьшает скорость перемещения межчастичной влаги в межпоровых перегородках пенобетонных смесей под действием гравитационных сил. Это позволяет защищать пенобетонные смеси от расслоения в расширенном диапазоне концентраций пенообразователей.
На основании данного факта можно утверждать, что дисперсное армирование позволяет замедлять (ограничивать) скорость достижения критической концентрации мицеллообразования в пенобетонных смесях, следовательно, расширять рецептурный диапазон, в котором смеси сохраняют агрегативную устойчивость. Важность этого результата трудно переоценить, поскольку ранее обоснованы и экспериментально подтверждены закономерность и неизбежность повышения концентрации поверхностно активных веществ (ПАВ) в жидкой фазе пенобетонных смесей в ходе гидратации и отвердевания минерального вяжущего.
Известно [4], что ПАВ, являющиеся энергетически активной составляющей пенообразователей (ПО), не вступают в химическое взаимодействие с компонентами пенобетонных смесей. При диспергации клинкерных минералов и гидратации цемента  количество межчастичной воды в пенобетонных смесях уменьшается за счет  уплотнения в пленках,   её химического связывания и испарения. Поэтому концентрация ПАВ в оставшейся воде неизбежно возрастает и достижение параметров критической концентрации мицеллообразования ранее, чем  сформируется кристаллический каркас цементных новообразований, обуславливает расслоение пенобетонных структур, сформированных в смесительном агрегате. Исходя из выше перечисленного, можно заключить, что дисперсное армирование пенобетонных смесей волокнами позволяет  расширить диапазон допустимых концентраций пенообразователя, при котором гарантированно сохраняется агрегативная устойчивость.  Повышение агрегативной устойчивости позволяет применить цементы с расширяющимися добавками в технологии пенобетонов.
Дальнейшие исследования направлены на оценку влияния вида и количества расширяющей добавки на свойства фибропенобетонных смесей и затвердевших бетонов.
Для проведения дальнейших экспериментальных исследований использовалась математическая модель, в которой учитывались важнейшие факторы, влияющие на агрегативную устойчивость фибропенобетонных смесей и параметры деформаций расширения затвердевших бетонов.
Анализ литературных данных по проблеме управления деформациями расширения бетонов [1] показал, что к числу таких факторов относятся:
- содержание в портландцементе расширяющих добавок (РД);
- суммарное содержание алюминатов в вяжущем веществе.
Эти факторы  были приняты в качестве параметров варьирования двухфакторного эксперимента (табл. 1).

Таблица 1
Уровни варьирования переменных в кодированном и натуральном выражении

Двухфакторный эксперимент выполнялся по центральному композиционному плану второго порядка (табл. 2).
Реализация плана позволила найти рациональные сочетания между количеством РД (Х₁) и суммарным количеством  алюминатов (Аl₂О₃ - Х₂) в цементе и РД из условия достижения:
1) агрегативной устойчивости пенобетонной смеси, характеризующейся показателем пластической прочности;
2) оптимальных параметров расширения при сохранении или улучшении физико-механических свойств затвердевшего материала.
Функция отклика  Y = f(Х₁, Х₂) описывается полиномом 2-го порядка:
Y = b₀ +b₁Х₁ +b2Х₂+b₁₁Х₁₂ +b₂₂Х₂₂+b₁₂Х₁Х₂                   (1)
В качестве функций отклика оценивали следующие параметры:
- пластическую прочность пенобетонных смесей;
- среднюю плотность фибропенобетонных смесей;
- среднюю плотность затвердевшего бетона;
- прочность при сжатии и растяжении при изгибе;
- изменение линейных размеров образцов материала в течение 90 дней (усадку или расширение в мм/м).

Таблица 2.
План проведения эксперимента в кодированных переменных

В ходе реализации центрального композиционного плана образцы изготавливались в турбулентном смесителе по одностадийной  технологии. В ходе испытаний установлено, что фактическая плотность полученных бетонов составила 700 кг/м³.  Результаты эксперимента представлены в табл. 3. Математическая обработка полученных данных на ЭВМ позволила получить регрессионные уравнения второго порядка. Оценка значимости коэффициентов в уравнениях регрессии осуществлялась по критерию Стьюдента, а оценка адекватности полученных моделей по критерию Фишера.

Таблица 3.
Свойства фибропенобетонных смесей и бетонов, полученные в ходе реализации центрального композиционного плана

Примечания: * - фибропенобетон в состоянии равновесной влажности при хранении в среде с относительной влажностью 95%; ** - фибропенобетон, высушенный при 105°С до постоянной массы.

По полученным данным построены геометрические модели, представленные в приложении. В табл. 4 представлены механические характеристики фибропенобетонов, изготовленных из цемента с РД, полученных на основе испытаний образцов балочек 4х4х16 см, набиравших прочность в течение 1 года. В табл. 5 представлены данные по динамике процесса собственных деформаций образцов из фибропенобетона с расширяющими добавками.
Из данных полученных экспериментально (тал. 4 и 5, рис.1 и 2) следует, что состав и количество расширяющих добавок незначительно влияют на показатели средней плотности фибропенобетонов, но эти компоненты весьма значимы при управлении собственными деформациями твердеющего фибропенобетона и его механических свойств. На рис. 1 и 2 показана динамика развития собственных деформаций исследованных пенобетонов в течение 90 суток. Как следует из представленных данных, применение расширяющей добавки позволяет получать пенобетоны, обладающие практически стабильным объемом как в течение периода интенсивного формирования структуры (примерно 7 – 14 сут), так и в более длительные сроки, вплоть до практически полной стабилизации усадочных деформаций.

Таблица 4
Влияние вида и количества расширяющей добавки на прочность и деформативные свойства фибропенобетона, твердевшего 1 год в нормальных условиях

Таблица 5
Влияние вида и количества расширяющей добавки на развитие собственных деформаций  фибропенобетона в процессе твердения

Экспериментально установлена возможность создания "безусадочного" фибропенобетона за счет применения расширяющей добавки. Этот результат  открывает широкие перспективы совершенствования технологии и свойств пенобетонов неавтоклавного твердения. Поскольку принципиально доказана возможность регулирования собственных деформаций пенобетона в период интенсивного формирования структуры и развития усадочных деформаций только рецептурным путем. Т.е. применение расширяющих добавок в сочетании с дисперсным армированием позволяет управлять собственными деформациями при твердении неавтоклавных пенобетонов.
В связи с этим одной из важнейших задач настоящей работы является получение количественных зависимостей основных показателей назначения фибропенобетонов с расширяющей добавкой. Решение данной задачи позволит разработать методы определения состава указанных бетонов для получения эффекта "нулевой" усадки при требуемых уровнях прочности, плотности и других показателей.

Из полученных данных следует, что для получения высокопрочных пенобетонов с регулируемой деформативностью весьма важно соблюдать два условия. Первое условие – обеспечить достаточную растворимость исходных компонентов, необходимых для образования эттрингита. Второе состоит в том, что концентрации этих компонентов должны быть достаточными для образования устойчивой фазы в тот период твердения, когда  расширение обеспечит не только требуемые параметры деформативности, но и прочности. Второе условие реализуется  только тогда, когда SO₃ поставляется в жидкую фазу материала в количествах превышающих растворимость эттрингита.
Следовательно, концентрация SO₃ в составе вяжущего с расширяющей добавкой является важным параметром влияния на деформативные свойствами фибропенобетона. Установлено, что при повышении содержания SO₃ в вяжущем, растут деформации расширения в фибропенобетоне. SO3 в количестве, превышающем некую конкретную величину, выраженную в % по массе, обеспечивает интенсификацию процессов расширения в  фибропенобетоне. Наиболее точно закономерность расширения материала описывается массовым отношением между Al₂O₃ и SO₃. Контролируя этот параметр, можно управлять процессами расширения вфибропенобетоне. Полагаю, что при повышенном количестве SO₃ образуется преимущественно эттрингит, что приводит к увеличению объема бетона. Реакция образования эттрингита в простейшем схематичном виде выглядит следующим образом:
3СаО∙Al₂O₃ + 3SO₃ + 32 Н₂О  → 3СаО∙ Al₂O₃∙3СаSO₄∙32 Н₂О             (2)
При понижении содержания SO3 в вяжущем, образуется  моногидросульфоалюминат Са:
3СаО∙Al₂O₃ + SO₃ + 12 Н₂О  → 3СаО∙ Al₂O₃∙СаSO₄∙12 Н₂О                 (3)
По гипотезе Михайлова В.В. [5], образование эттрингита, происходящее при достаточно высокой прочности цементного камня, сопровождается процессами расширения и самонапряжения бетона. С формированием эттрингита связывают расширение большинство других исследователей. По данным Панченко А.И. [1], формирование эттрингита, названого им активным, сопровождается деформациями расширения твердеющей системы. По мнению Несветаева Г.В. [1], образование моногидросульфоалюмината кальция не сопровождается значительными изменениями объема. В связи с этим предположение о том, что, регулируя абсолютное содержание SO₃ и отношение Al₂O₃ к SO₃в составе вяжущего, можно влиять на соотношение формирующихся при твердении гидросульфоалюминатов кальция высокосульфатной формы (эттрингит) и низкосульфатной формы (моносульфоалюминат). Управление вещественным составом новообразований позволяет регулировать деформативные свойства материала при твердении ипрогнозировать параметры изменения его линейных размеров.

Литература

1. Айрапетов Г.А., Несветаев Г.В., Чмель Г.В. Расширяющиеся и напрягающие цементы низкой водопотребности и бетоны на их основе/Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров республики Беларусь. 7-й МНМС посвященный 100-летию со дня рождения В.В.Михайлова, Брест, 2001. – С.206-210.

2. Моргун В.Н. Влияние трехкальциевого алюмината на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей//«Известия РГСУ», Ростов-на-Дону, №8, 2004.-С.254.

3. Баранов А.Т. и др. Ячеистый бетон на напрягающем цементе//Бетон и    железобетон.- 1978.- №11.- С.5.

4. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. СПб, "Химия", 1992. – 280 с.

5. Михайлов В.В., Литвер С.Л. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряжённые железобетонные конструкции. М., Стройиздат, 1974. - 312 с.