3.6. Материалы и технологии изделий на основе пористых заполнителей

В производстве стеновых теплоизоляционных изделий год от года уве­личивается разнообразие применяемых пористых заполнителей. В настоящее

время в России насчитывается более 600 предприятий полносборного домо­строения, суммарная производительная мощность которых превышает 70 млн. м² общей площади в год.

Роль различных технологических переделов в общем производстве не­одинакова. Значения показателей технологических переделов на примере за­вода КПД средней мощности представлены в табл. 3.14.

Таблица 3.14 Показатели технологических переделов завода КПД (на 1 м² общей площади)

Технологические перепады	Стоимость основных фондов	Себесто­имость перера­ботки	Затраты труда	Масса оборудо­вания		Мощность токоприем НИКОВ		Производ­ственная площадь
	%	%	%	т	%	кВт	%	м2	%
Отделение приго­товления, склада материалов	14-16	17	7,1	336	9	352	19.9	2638	13.9
Арматурный цех	6-10	15	13	135	3,6	132	7.5	2592	13.6
Формовочные цехи, цехи	60-70	62	57,2	3180	85,2	1227	69,5	11016	58,0
Вспомогательные производства	10-14	6	22,7	80	2,2	55	3,1	2762	14,5
Всего	100	100	100	373	100	1766	100	19008	100

Длительная практика полносборного домостроения выявила целый ряд вопросов, требующих дальнейшего совершенствования. Удельный вес каж­дого технологического передела определяется в значительной степени уров­нем его механизации и автоматизации технологических переделов производ­ства железобетонных изделий.

Уровни механизации и автоматизации различных технологических пе­ределов предприятий имеют значительные отличия. Наиболее низким уров­нем механизации и автоматизации, как видно из табл.3.15, характеризуется в настоящее время формовочный передел.

Таблица 3.15

Уровни механизации и автоматизации технологических переделов на заводах

сборного железобетона

Технологический передел	Уровень механизации, %		Уровень автоматизации, %
	существ.	перспект.	существ.	перспект.
Приемка и складирование сырья	60	90	50	75
Приготовление бетонной смеси	75	100	60	990
Изготовление арматурных излелий	50	70	40	60
Формовочные цехи	40	100	25	75
Производство в целом	50	90	40	75

К недостаточному совершенству производства следует отнести значи­тельную еще численность рабочих, занятых на внутризаводских транспорт­ных работах, обслуживание зданий и сооружений, значительную долю руч­ных и маломеханизированных работ во вспомогательном производстве. Кро­ме того, на складах заполнителей до настоящего времени не решены вопросы приемки и хранения материалов в зимнее время, а также надежной работы транспортных и запирающих механизмов.

Замена части природных материалов на попутные продукты промыш­ленности позволяет снижать энергетические затраты, повышать производи­тельность технологических линий, качество продукции. Несмотря на большое разнообразие пористых заполнителей, им присущи некоторые общие свойст­ва, оказывающие наибольшее влияние на формирование структуры бетона и механизм его разрушения. К этим свойствам можно отнести: высокую реак­ционную способность, наиболее сильно проявляющуюся в формировании контактной зоны, внутризерновую пористость, влияющую как на реологиче­ские свойства смеси, так и на весь процесс формирования структуры рас­творной составляющей материала, наличие дефектов не только в виде пор, но и в виде микро- и макротрещин. Около 70% общего объема составляет вы­пуск керамзита. Данные по материалоемкости, энергоемкости и трудоемко­сти керамических заполнителей представлены в табл. 3.16. Как видно из дан­ных, представленных в табл. 3.16, при производстве искусственных заполни­телей значительна материалоемкость и трудоемкость производства, а также энергетические затраты.

Таблица 3.16

Основные виды затрат при производстве искусственных заполнителей

Наименование и марка по насыпной плотности заполнителя	На 1 м3 материала
	Материалоемкость		Энергоемкость			Трудое­мкость, чел.·дн.
	сырье	кг	топливо, кг	электро­энергия, кВт·ч	энергое­мкость, ГДж
1	2	3	4	5	6	7
Гравий керамзитовый по пластическому способу 500	Глина	800	70	34	2,17	0,075
Гравий шунгизитовый 500	Щебень из шунгизитовых пород	720	60	26	1,85	0,06
Песок керамзитовый 700	Гранулы под­сушенные	640	120	72	3,78	0,09
Песок перлитовый вспученный 100	Перлитовое сырье 0,15-0,12 мм	115	18	5	0,54	0,037

Окончание таблицы 3.16

1	2	3	4	5	6	7
Щебень аглопоритовый и песок из углеотходов 700	Отходы угле­обогащения	780	30	54	1,07	0,11
Щебень аглопоритовый и песок из суглинков 700	Суглинки	720	90	43	2,79	0,1
Зольный гравий безоб­жиговый 900	Зола сухая	700	-	20	0,947	0,17
Шлаковая пемза 800	Шлаковый расплав	825	-	12	0,043	0,02
Гранулированный шлак мелкозернистый 1000	Шлаковый расплав	1010	-	4	0,014	0,009

Для изучения влияния водопоглощения заполнителей на структуру бето­на и определения оптимальных режимов данного процесса автором разра­ботана методика, моделирования этого процесса контактным вакуумировани-ем образцов цементно-песчаного раствора. Изменения капиллярной контрак­тации пористых заполнителей, согласно данной методике, моделируются ре­зультирующим давлением в вакуум-щите. Определение режимов изменения результирующего давления в вакуум-щите производилось с использованием керамзита со средней насыпной плотностью 828, 680 и 515 кг/м³. Для увели­чения влияния водопоглощения («самовакуумирования») на формирование структуры бетона керамзитовый заполнитель в процессе приготовления под­вергался вакуумированию. В результате такой обработки всасывающая спо­собность керамзита увеличивается, как показано на рис. 3.20, в 1,2-1,4 раза.

На основании сравнений графиков изменения водоцементного отно­шения в вакуумируемых растворных образцах 4x4x16 и изменений истинного водоцементного отношения в материале определены режимы изменения дав­ления в вакуум-щитах, соответствующие всасывающей способности керамзи­та. Полученные данные представлены в таблице 3.17.

Обработка представленных в таблице 3.17 данных показала, что при мо­делировании обезвоздушенных пористых заполнителей со средней насыпной плотностью 515-828 кг/м³ результирующее давление должно измениться в течение первых 12 минут от 0,02-0,045 до 0,063-0,087 МПа. Величины ре­зультирующего давления, как это видно из таблицы 3.17, не зависят от объем­ной концентрации керамзитового заполнителя. Это объясняется несоответст­вием толщины вакуумируемых растворных образцов средним величинам межзерновых пространств в бетоне. Следовательно, необходимо толщины вакуумируемых образцов назначать равными средним величинам межзерно­вых пространств. Исследования показали, что величины результирующих давлений не зависят от объемной концентрации заполнителя.

Рис.3.20. Водопоглощение обычного и обезвоздушенного керамзита W, изменение истинного водоцементного отношения В/Ц и в зависимости от давления в окружающем пространстве Р, средней насыпной плотности у, начального водоцементного отношения В/Ц:

а) у=828 кг/м³, б) у=680 кг/м³, в) у=515 кг/м³,

3, 5 - обычного; 1, 2, 4, 6, 7, 8 - обезвоздушенного; 1, 2 - Р=0,02 МПа; 3, 4, 5, 7 - Р=0,1 МПа; 6, 8 - Р=0,4 МПа; 1, 3, 4, 7 - В/Ц„=0,5, 2, 5, 6, 8 - В/Ц_н=0,8

При моделировании необезвоздушенного пористого заполнителя с ана­логичным диапазоном изменения средней насыпной плотности давление в течение первых 12 минут должно измениться от 0,05-0,065 до 0,085-0,095 МПа.

Исследования охватили только первые 12 минут потому, что в данный период поглощается 60-70 % от всего количества и происходят основные из­менения в структуре бетона. Перемещений крупного заполнителя в результа­те «самовакуумирования» не происходит, поскольку всасывание осуществля-

ется всей поверхностью пористого заполнителя и результирующая сил равна нулю. Следовательно, практически не происходит и уплотнения всего объема материала. Изменяется структура материала. Потоки воды в процессе «самовакуумирования» уносят наиболее мелкие частицы твердых компонен­тов из межзерновых пространств к пористым заполнителям. Поверхности гранул, действуя как фильтр, задерживают их. Расширение гранул заполни­телей при водонасыщении приводит к уплотнению зон, расположенных во­круг их. Из межзерновых пространств вместе с жидкой фазой удаляются наиболее мелкие твердые компоненты. Оставшиеся твердые компоненты за­нимают прежний объем, то есть в этих зонах плотность снижается.

Таблица 3.17

Влияние содержания и свойств заполнителя на изменение результирующего давления

Средняя	Объемная	Водопоглоще-	Водопоглощение		Изменение результи-
насыпная	концентрация	ние керамзита	керамзита (%) в		рующего	давления в
плотность	керамзита,	в воде за 1ч,	цементном тесте за		течение 12 мин, МПа
керамзита,	м3/м3 м /м	%	12 мин
кг/м3
	0,3		0,6	3,9	0,044	0,087
	0,6		0,6	3,9	0,040	0,081
828	0,9	8,7	0,6	3,9	0,035	0,076
	0,3		0,9	5,8	0,045	0,085
	0,6		0,9	5,8	0,041	0,079
	0,9		0,9	5,8	0,034	0,074
	0,3		0,6	5,3	0,040	0,081
	0,6		0,6	5,3	0,034	0,075
680	0,9	11,0	0,6	5,3	0,028	0,070
	0,3		0,9	7,5	0,039	0,080
	0,6		0,9	7,5	0,033	0,075
	0,9		0,9	7,5	0,026	0,069
	0,3		0,6	7,6	0,034	0,075
	0,6		0,6	7,6	0,027	0,070
515	0,9	12,5	0,6	7,6	0,020	0,065
	0,3		0,9	10,8	0,033	0,073
	0,6		0,9	10,8	0,026	0,068
	0,9		0,9	10,8	0,020	0,063

При моделировании контактной зоны пористых гранул, вакуум-щит должен перемещаться за уменьшающимся объемом растворных образцов (рис.3.19). В результате пустоты, образующиеся вследствие отсоса воды, за­полняются твердым веществом. Величина перемещений вакуум-щита должна быть прямо пропорциональна высоте образца вдоль направления вакуумиро-вания, изменению среднего радиуса зерен заполнителя при водонасыщении и обратно пропорциональна первоначальной толщине контактной зоны, кото­рую можно представить состоящей из окончательной толщины (10-30 мкм), и

изменению среднего радиуса зерен заполнителя в течение первых трех-че-тырех часов (0,15-0,3 мм/м).

При моделировании межзерновых пространств вакуум-щит в процессе обезвоживания цементно-песчаного раствора не должен перемещаться. В этом объеме должно происходить снижение водоцементного отношения, не сопровождавшееся сближением твердых компонентов .

По предложенной методике были проведены испытания, данные пред­ставлены на рис. 3.19, рис. 3.20. При вакуумировании растворных образцов по режиму изменения давления от 0,03 до 0,07 МПа прочность в результате данной обработки у образцов, моделирующих контактную зону, повышается в 1,25-1,35 раза. У образцов, моделирующих межзерновые пространства, прочность или не изменялась (состав с начальным В/Ц=0,9), или понижалась (состав с начальным В/Ц=0,6).

В о второй серии экспериментов был принят обратный режим изменения давления - 0,07-0,03 МПа. Это позволило снизить перепад давлении в на­чальный период и увеличить его на конечной стадии. Возрастающий режим изменения давления позволил, как показано на рис. 3.21, 3.22, создать рав­номерный режим удаления свободной воды из раствора. В результате, вслед­ствие более компактного распределения твердых компонентов в объеме об­разцов, повысилась прочность раствора. Прочность образцов, моделирующих контактную зону, увеличилась в 1,6-1,7 раза. Прочность образцов, модели­рующих межзерновые пространства, повысилась в 1,2 раза (состав с началь­ным В/Ц=0,9) и осталась без изменения (состав с начальным В/Ц=0_;6).

Рис.3.21. Изменение в контактной зоне водоцементного отношения, средней плотности и прочности в зависимости от режимов давления Р: 1,3 - Р=0,07-0,03 МПа; 2,4 -Р=0,03-0, 07 МПа

Р ис. 3.22. Изменение в межзерновом пространстве водоцементного отношения, средней плотности и прочности в зависимости от режимов давления Р: 1,3 - Р=0,07-0,03 МПа; 2,4 - Р=0,03-0,07 МПа .

Аналогичная картина, только менее ярко выраженная, наблюдается и при моделировании контактной зоны и межзерновых пространств у необез-воздушенного керамзита.

Установленная на цементном связующем картина влияния водомигра-ционных процессов на изменение плотности в контактной зоне и межзерно­вых пространствах, как ожидалось и было подтверждено в исследованиях, справедлива при переходе к глиняному связующему.

Производство изделий с использованием тепловлажностного отвержде­ния - энергоемкий процесс, требующий значительных затрат тепловой энер­гии. Для осуществления данного технологического передела используются различные энергоносители. Наиболее распространенным энергоносителем, используемым при производстве цементных материалов, является пар. Сред­ние расходы пара в различных тепловых агрегатах представлены в табл.3.18.

Таблица 3.8

Агрегат	Термическое сопротивление теплопередаче, (м2·ºС)/Вт, для огражединй тепловых агрегатов
	не более 0,25	не менее 1,3
Ямные камеры: двухсекционные трёхсекционные четырёхсекционные Щелевые камеры непрерывного действия Термоформы Вертикальные камеры Кассетные установки	400 350 300 - - - -	170 170 170 220 250 120 200

Наряду с насыщенным водяным паром для тепловой обработки цемент­ных материалов используются электрический ток, природный газ. Соотноше­ние энергетических показателей различных энергоносителей по данным ряда институтов России: СПбЗНИИЭП, СПбГАСУ, ЦНИИОМТП, НИИЖБ показа­но в табл. 3.19.

Таблица 3.19

Соотношение энергетических показателей различных энергоносителей

Энергоноситель	Теплосодержание
	кДж	ккал
Насыщенный водяной пар, кг Электрический ток, кВт·ч Природный газ, м3 Условное топливо, кг	2680 3570 33490 29300	640 840 8000 7000

С целью дистанционного контроля набора прочности автором совместно с У.А.Ямлеевым, Л.И.Безруковым и А.Г.Тараном была разработана методика использования для этого ультразвукового импульсного метода. Она основы­вается на том, что интенсивное нарастание скорости ультразвука, соответст­вующее уплотнению структуры цементного камня, происходит в первые часы тепловой обработки, затем прирост скорости ультразвука уменьшается и че­рез 5-8 часов равен нулю. Момент стабилизации скорости ультразвука свиде­тельствует о завершении процессов уплотнения структуры цементного камня, дальнейшая интенсификация процессов твердения нецелесообразна. Это под­твердили исследования фазового состава цементного камня в этот период, проведенные автором в НИИЖБ.

Для выявления физического смысла перегиба графиков (рис. 3.21,а) бы­ли проведены специальные исследования методами ДТА и рентгенофазового анализа (рис.3.21,6, 3.22).

В образцах в момент стабилизации скорости ультразвука фазовый состав в основном идентичен. Присутствуют клинкерные минералы: алит (линия 1,761·10^-10м), белит (2,876·10^-10м), C₄AF (2,63·10^-10м). В образцах 1А линии 3,36 и 1,539·10^-10м можно отнести к кварцу. Из новообразований присутствуют Са(ОН)₂ (линия 4,92; 1,924 ·10^-10м), эттрингит (9,81; 9,61;2,56·10^-10м). Опреде­ление новообразований затруднено из-за наложения линий фаз. Однако мож­но предположить наличие C₂SH₂ (9,8; 2,4; 2,0; 1,83·10^-10м), а не CSH(B), по­скольку на термограмме отсутствуют экзотермический эффект при 830— 860°С, характерный для последнего (рис. 3.23, 3.24).

В образцах 1Б и 2Б присутствуют также клинкерные минералы: алит, бе­лит, аллюмоферрит. Из новообразований явно видно наличие Са(ОН)₂ (4,92; 1,924·10^-10м) и эттрингита (9,81·10^-10м). В образце 2Б линии 10,6; 3,58; 2,55· 10^-10м показывают наличие в небольшом количестве C₂AH₈. На термограммах для образцов 1Б и 2Б присутствуют эндотермические эффекты при 120, 440 и

7 40 °С, показывавшие, что основная масса новообразовании относится к Са(ОН)₂ и СаСОз. Первый эффект (при 120 °С) можно отнести к общей поте­ре воды 5,4 %, в том числе и эттрингитом, поскольку начало эффекта при 40°С; второй - 440°С - дегидратации Са(ОН)₂ (1,2 % от веса); третий - 740°С - диссоциация СаСоз с потерей веса при этом 2,7-3,3%.

а

б

а

б

Рис. 3.23. Изменение скорости ультразвука и относительной прочности керамзитобетона в процессе тепловой обработки (а); термограмма цементного камня в момент стабилизации скорости (б)

Таким образом, появление перелома графиков (см. рис. 3.23,а) в точке Б можно объяснить изменением плотности бетона за счет появления в неболь­шом количестве С₂АН₈ и разницей в содержании СаСО₃. Рекомендуемая ско­рость подъема температуры от 20 до 85 °С для керамзитобетона марок 200-400 составляет 1,5-3,0 часа. Представленные в таблице 3.20 оптимальные

р ежимы тепловой обработки (предварительная выдержка, подъем температу­ры, изотермическая выдержка) получены в результате обработки эксперимен­тальных данных на ЭВМ с использованием метода математического плани­рования эксперимента. При этом, наряду с изменением удобоукладываемо-сти, расходов цемента, объемной концентрации и прочности керамзита в ука­занных ранее интервалах варьировалось время предварительной выдержки от 2 до 6 часов, подъем температуры о 20 до 85 °С за время от 1,5 до 4,5 часов, изотермическое выдерживание при температуре 85 °С за время от 3 до 9 ча­сов.

Рис. 3.24. Рентгенограмма цементного камня в моменты, соответствующие точкам А и Б

В таблице 3.20 первые строчки составляют данные для составов, исполь¬зованных на заводе до внедрения результатов работы, а остальные данные после внедрения. Оптимальные режимы тепловой обработки соответствуют, во-первых, наименьшим приведенным затратам, во-вторых, наименьшим рас¬ходам дефицитного цемента, в-третьих, минимальной продолжительности всего периода набора требуемой прочности. Приведенные затраты приведены в ценах 1984 года.

Необходимость снижения затрат на производство изделий, повышения их теплоизоляционных свойств, размеров, долговечности вынуждает посто¬янно совершенствовать материалы, конструкции, технологии изготовления. Стоимость панелей наружних стен составляет 23 % общей стоимости возво¬димого здания, а удельный расход стали и бетона на их изготовление - соот¬ветственно 25 % и 28 %. В общем балансе тепловых потерь на долю наруж¬ных стен приходится 74 - 84 %.

Таблица 3.20 Оптимальные режимы термообработки керамзитобетона на БТЦ-500

Марка	Жесткость	Расход	Режим	термообработки, ч		Приведенные
бетона	бетонной	цемента,	Предвари-	Подъем	Изотермия	затраты,
	смеси, с	кг/м3	тельная			руб./м3
			выдержка
	10	420	6	4	9	22,3
	10	365	4	4,5	7,1	19,46
200	35	310	4	2,3	6,6	18,60
	60	270	4	2,3	6,0	17,85
	10	530	6	4	9	25,1
	10	482	4	4,5	6,6	22,21
300	35	421	2	2,3	6,1	21,03
	60	368	2	1,5	5,5	19,35

В связи с энергетическим кризисом многие страны Западной Европы смогли относительно просто за счет утолщения слоя утеплителя в трехслой­ных конструкциях панелей существенно повысить термическое сопротив­ление наружных стен. Например, в Швеции в крупнопанельных домах по­стройки 60-х годов термическое сопротивление составило 1,48-2,16 м²·°С/Вт, а к 80-м годам оно было увеличено до 3,44 м²·°С/Вт, то есть возросло в 1,6 раза. Для сравнения, в СНиП П-3-79 этот показатель в 2 раза ниже. Новый, подготовленный для использования СНиП предусматривает необходимость повышения нормативного термического сопротивления наружних стен до значений, применяемых в странах Европы.

Дальнейшее повышение теплоизоляционных свойств трехслойных пане­лей может быть достигнуто снижением средней плотности бетона защитных слоев. Технологические задачи при этом связаны с сохранением смесями, уложенными в начале процесса формования, требуемой удобоукладываемо-сти.