В статье приводятся результаты исследований по применению гипсоцементно-пуццоланового вяжущего для изготовления пенобетонов с низкой средней плотностью, порядка 150-250 кг/м³. Показано, что в этом случае наиболее рационально используются свойства гипсового вяжущего и цемента.

УДК 693

М.С. САДУАКАСОВ, доктор техн. наук, генеральный директор ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ», А.М. ШОЙБЕКОВА, инженер-экономист, Г.Г. ТОКМАДЖЕШВИЛИ, архитектор, г. Алматы, Республика Казахстан

Ключевые слова: пенобетон, пенообразователь, гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, плотность, прочность, теплопроводность
Keywords: foam concrete, foam generating agent, gypsum-cement-pozzolan binder, density, solidity, thermal conductivity

Развитие производства пенобетона как в виде монолита (изоляция кровли, пола, стены), так и в виде изделий (стеновых блоков, плит) обусловливает совершенствование технологии приготовления смеси и оптимизации составов. Значительная величина осадки и усадки пенобетона естественного твердения приводит к образованию трещин в материале, что, соответственно, снижает эксплуатационные свойства ячеистого бетона. Длительный процесс твердения при неавтоклавной технологии пенобетона вызывает необходимость наличия значительной по площади территории для выдержки пенобетонных блоков.

Указанные недостатки могут быть устранены при использовании в качестве вяжущего смеси портландцемента, гипса и пуццолановой добавки. Новый вид быстротвердеющего вяжущего (гипсоцементно-пуццоланового), разработанный в Московском инженерно-строительном институте им. В.В. Куйбышева (ныне МГСУ) под руководством проф. А.В. Волженского, в дальнейшем был всесторонне изучен, в особенности на предмет стабильности материала во времени при эксплуатации во влажных условиях [1-3]. Было установлено, что если в смеси гипсовых вяжущих с портландцементом вводить надлежащее количество пуццолановых (гидравлических) добавок, содержащих кремнезем в активной форме, то достигаются полная их стабильность и рост прочности при длительном твердении в воздушной или водной среде без разрушительных деформаций.

Одним из эффективных путей применения ГЦПВ является получение на его основе различных видов пенобетонных материалов – от особо легкого до конструкционно-теплоизоляционного.

В Алматинском НИИстромпроекте разработана технология получения и составы пенобетонов на основе ГЦПВ с широким диапазоном плотности и, соответственно, функциональных свойств. В качестве пуццолановой добавки при проведении экспериментов использована кислая зола-унос Алматинской ТЭЦ-2, образующаяся от сжигания каменного угля Экибастузского месторождения. Зольность угля – 40%, удельная поверхность золы – 2500 см²/г, остаток на сите 008 – 18%.

С целью повышения химической активности зола подвергалась помолу, в т.ч. совместно с небольшим количеством различных компонентов. Было важно выявить влияние активации золы не только на прочностные свойства материала, но и на эффективность связывания его окиси кальция (СаО). Согласно методике МИСИ им. Куйбышева титрованием определяют концентрацию СаО в водной суспензии гипса, портландцемента и пуццолановой добавки. Концентрация СаО не должна превышать 1,1 г/л через 5 сут. и – 0,85 г/л через 7 сут.

Таблица 1. Химический состав золы Алматинской ТЭЦ-2, %

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	FeO	TiO₂	CaO	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	П.п.п.
62,66	25,54	4,15	1,00	1,02	1,53	0,27	0,38	0,30	0,10	2,85

Результаты испытаний (табл. 2) показали пригодность золы Алматинской ТЭЦ-2 для получения ГЦПВ, но только при условии ее активации. Причем, что особенно важно, требуемая величина концентрации СаО обеспечивается при минимальном количестве введенной активированной золы. Эти эксперименты подтверждают высокую эффективность метода механоактивации и ее важную роль в технологии строительных материалов на основе минеральных вяжущих веществ.

Таблица 2. Влияние добавки золы на изменение концентрации СаО

Компоненты	На золе без обработки					На активированной золе
Компоненты	содержание компонентов, г
гипс	1	1	1	1	1	1	1	1	1
цемент	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5
зола	1,25	2,5	3,75	10	15	1,25	2,5	3,75	10
Сроки выдержки	концентрация окиси кальция, г/л
5 сут.	1,40	1,33	1,29	1,27	1,22	1,10	1,09	1,07	0,95
7 сут.	1,35	1,28	1,23	1,18	1,03	0,84	0,82	0,80	0,79

Применительно к разрабатываемой в НИИстромпроекте технологии возможность получения ГЦПВ при низком содержании золы может быть использована при получении теплоизоляционных ячеистых бетонов особо низкой плотности – менее 300 кг/м³. Это обусловлено тем, что в этом случае возможно увеличение в составе материала вяжущей составляющей, в частности цемента.

Как известно, основной технологической проблемой при получении пенобетонов является необходимость обеспечения высокой устойчивости пенобетонной массы до схватывания и затвердевания портландцемента. При получении пенобетона с плотностью более 500 кг/м³ осадка отформованной поризованной массы практически не наблюдается. Небольшая величина осадки может иметь место при использовании некачественного пенообразователя или портландцемента. Иное положение возникает при получении теплоизоляционных пенобетонов с плотностью 300-400 кг/м³. В этом случае, как правило, осадка может достигать до 20-30% от первоначальной величины, а в ряде случаев (при проектной плотности пенобетона 300 кг/м³) смесь не отличается стабильностью и иногда полностью разрушается. Согласно требованиям СН 277-80 (Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона) при изготовлении теплоизоляционных ячеистых бетонов необходимо использовать цемент с удельной поверхностью 3000-4000 см²/г, т.е. цемент заводского производства следует домалывать до получения нужной тонины помола.

При проведении экспериментов выяснилось, что даже при домоле рядового цемента марки М400 D20 до удельной поверхности 4000 см²/г невозможно получить стабильный пенобетон с плотностью 200-250 кг/м³; масса через 15-30 минут после формовки оседает и полностью разрушается. Следует отметить, что при получении легких пенобетонов увеличивается дозировка пенообразователя для получения большего объема пены и одновременно снижается расход цемента (табл. 3). Соответственно, такое положение приводит к существенному увеличению концентрации пенообразующей ПАВ вокруг зерен цемента и замедлению реакции гидратации и, надо полагать, в особенности к резкому замедлению роста структурной прочности материала.

Таблица 3. Зависимость между плотностью пенобетона и концентрацией ПАВ относительно цемента

Плотность пенобетона, кг/м³	1200	1000	800	600	400	200
Расход цемента, кг/м³	350	360	320	310	300	170
Расход ПАВ, л/м³	1,0	0,9	1,2	1,3	1,5	1,6
Концентрация ПАВ по отношению к массе цемента, %	0,28	0,25	0,37	0,42	0,5	0,94

Исследования показывают (табл. 4), что при концентрации ПАВ, равной 1% от массы цемента, что практически соответствует концентрации ПАВ в пенобетоне с плотностью 200 кг/м³, сроки схватывания цемента замедляются более чем в 1,5 раза по сравнению со сроками схватывания цемента без добавки ПАВ. При этом протеиновые пенообразователи в большей степени замедляют схватывание цемента, чем синтетические.

Таблица 4. Влияние пенообразующих ПАВ на сроки схватывания цемента

Содержание ПАВ, % от массы цемента	Сроки схватывания цемента, ч-мин, на пенообразователе
	синтетическом ПБ-2000		органическом (протеиновом)
	начало	конец	начало	конец
—	2-10	4-40	2-10	4-40
0,25	2-30	4-55	2-40	5-10
0,5	3-10	5-10	3-30	5-45
1,0	3-50	5-50	4-20	6-05
2	3-55	6-40	4-20	7-15

Можно предположить, что в высокопоризованной массе, при котором частицы цемента на несколько порядков разобщены друг от друга, по сравнению с их взаиморасположением в «плотном» цементном тесте, схватывание и твердение зерен цемента будет еще более замедляться. Из-за отсутствия соответствующей методологии и аппаратуры определить характер и скорость схватывания цемента в поризованной массе пока не представляется возможным. Вместе с тем необходимость разработки стандартного метода определения скорости схватывания цемента в поризованной массе назрела.

С учетом различных трудностей, возникающих при получении особо легкого пенобетона на основе цемента, нами выбрано направление по использованию ГЦПВ для получения легкобетонной смеси. Быстрое схватывание гипса в составе ГЦПВ позволяет зафиксировать заданную форму пенобетона (массив, панель, блок, плита) на начальной стадии, а цемент обеспечивает водостойкость и рост прочности материала во времени. Именно для выполнения такой задачи и была задумана разработка нового вида вяжущего, в котором бы совмещались положительные качества гипса и цемента.

Результаты экспериментов выявили высокую эффективность использования ГЦПВ для получения теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных пенобетонов (табл. 5). Поскольку пенообразователь играет роль добавки, замедляющей сроки схватывания вяжущего, то специально замедлители схватывания в смесь не вводились. Уже через 10-15 минут отформованная поризованная масса начинала твердеть, а через 2 ч образцы извлекались из формы и помещались в ванны с гидравлическим затвором для дальнейшего твердения. Никакой осадки и усадки в отформованных образцах не наблюдалось.

Таблица 5. Зависимость между средней плотностью, прочностью и теплопроводностью пенобетона

Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м³	150	200	250	400	500
Прочность при сжатии через 7 сут. твердения, МПа	0,05	0,12	0,25	1,8	3,1
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°С)	0,057	0,060	0,069	0,095	0,120

Таким образом, исходя из результатов исследований можно сделать вывод о том, что одним из перспективных направлений применения гипсоцементно-пуццоланового вяжущего является устройство монолитной изоляции при строительстве новых строений и при термомодернизации эксплуатируемых жилых зданий и сооружений. Также технически и экономически целесообразным является пуск производства по изготовлению блоков для устройства наружной стеновой конструкции и теплоизоляционных плит.

Библиографический список

1. Волженский А.В., Роговой М.И., Стамбулко В.И. Гипсоцементные и гипсошлаковые вяжущие и изделия. – М.: Госстройиздат, 1960. – 168 с.

2. Волженский А.В., Стамбулко В.И., Ферронская А.В. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия. – М.: Стройиздат, 1971. – 318 с.

3. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. – М.: Стройиздат, 1986. – 464 с.