ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОБЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Савина Я.А.¹, Кузнецов В.О.², Вовко В.В.³, Лукьяница С.В.⁴

¹Магистрант, ²Магистрант, ³Кандидат технических наук, Доцент, ⁴Кандидат технических наук, Доцент, Волгоградский государственный технический университет

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОБЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Аннотация

В статье предлагается новый пенобетон на основе цемента и электросталеплавильных шлаков, который получен и разработан на кафедре строительных материалов и специальных технологий ИАиС ВолгГТУ. Цель изысканий заключалась в получении эффективного теплоизоляционного материала для стеновых ограждающих конструкций, как в высотном домостроении, так и материала для применения в малоэтажном строительстве, при изготовлении, которого были бы максимально использованы местные сырьевые и производственные ресурсы.

Ключевые слова: пенобетон, электросталеплавильные шлаки, теплоизоляционный материал.

Savina Ya.A.¹, Kuznetsov V.O.², Vovko V.V.³, Lukianitsa S.V.⁴

¹Graduate Student, ²Graduate Student, ³PhD in Engineering, Associate Professor, ⁴PhD in Engineering, Associate Professor, Volgograd State Technical University

TECHNOLOGY OF FOAMED CONCRETE PRODUCTION USING INDUSTRIAL WASTES OF VOLGOGRAD REGION

Abstract

The article proposes a new kind of foam concrete based on cement and electric steel smelting ash which was obtained and developed at the Department of Building Materials and Special Technologies of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. The objective of the research was to obtain an effective heat-insulating material for wall constructions, both in high-rise house-buildings and for use in low-rise constructions with efficient use of the local raw materials and production resources during the manufacturing process.

Keywords: foam concrete, electric steel smelting ash, heat-insulating material.

Требования по повышению тепловой защиты зданий и сооружений, для основных потребителей энергии, являются важным предметом госрегулирования в абсолютном большинстве развитых стран. Данные требования анализируются как с точки зрения охраны окружающей среды, уменьшения влияния «парникового» эффекта так и сокращения выделений двуокиси углерода и прочих опасных веществ в атмосферу. Особое внимание уделяется рациональному использованию не возобновляемых природных ресурсов.

Принятый в 2009 г. федеральный закон No 261-ФЗ «Об энергосбережении...» разъясняет требования по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Цель этого закона - формирование правовых, экономических и организационных основ направленных на стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности [7].

Согласно требований энергетической эффективности зданий, строений и сооружений, показатели, характеризующие удельную величину расхода энергетических ресурсов должны соответствовать требованиям  установленным постановлением правительства РФ от 25.01.2011 N 18 (ред. от 26.03.2014, с изм. от 07.03.2017) «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов» [7].

На наш взгляд, основной возможностью, позволяющей соблюдать вышеприведенные требования, является эффективная теплоизоляционная ограждающая конструкция. Сегодня вопрос эффективной теплоизоляции решается достаточно просто, существует огромный спектр теплоизоляционных материалов и конструктивных решений типа вентилируемого фасада. Наряду с этим, первоначальная эффективность, теплоизоляции вполне может оказаться кажущейся, в первую очередь из-за стоимости и часто сложности её устройства. Другими вопросами применения и эффективности теплоизоляции является долговечность, сложность ремонта, слабая защищённость от вандализма и не в последнюю очередь компетентность рабочих её устанавливающих.  Возможным решением подобных вопросов может стать применение традиционных теплоизоляционных материалов – ячеистых бетонов или точнее одного из его видов, а точнее пенобетона.

На кафедре, строительных материалов и специальных технологий ИАиС ВолгГТУ  разработан и получен пенобетон на основе цемента и электросталеплавильных шлаков.

Цель изысканий заключалась в получении эффективного теплоизоляционного композита для перегородок и ограждающих конструкций, как в высотном домостроении, так и материала для применения в малоэтажном строительстве, при изготовлении, которого были бы максимально использованы местные сырьевые и производственные ресурсы.  Материал должен был сочетать в себе как теплоизоляционные, так и конструкционные свойства, производство не должно быть энергоемким. Работа носила как теоретический, так и экспериментальный характер.

При подборе компонентов особое внимание было уделено сырьевой базе существующих производств г. Волгограда, проводился анализ продукции местных производителей. Испытания проводились в лабораторных условиях и на производственной линии.

Известно, что применяется шлак в производстве строительных материалов редко, обычно просто вывозится в отвалы грузовым транспортом. На заводах, из мартеновских цехов, шлак с помощью шлаковозных ковшей вывозят и выливают как расплав в шлаковые ямы. Применяют орошение водой для измельчения шлака, за счет  термоудара при перепаде температур.

Агрегатные образования, составляющие шлак, представлены первичными и конечными шлаками, образующимися при смешивании расплавленного первичного и остывшего порошкообразного конечного шлака, содержание которых колеблется от 10% до 15% от массы всего шлака.

По гранулометрическому составу в шлак представлен частицами размером до 5 мм, в количестве до 60% и частицами размером более 5мм в количественном соотношении до 40-45%. При этом, более крупные частицы, свыше 5мм представлены первичными и промежуточными (агрегированными) шлаками. И наоборот, частицы менее 5мм - это в основном, конечные шлаки серо-белого и белого цвета. Химический состав электросталеплавильных шлаков, как правило, не стабилен и представлен Fe2O3, FeO2, SiO2, CaO, S и пр.

Основные физико-механические характеристики и гранулометрический состав электросталеплавильных шлаков представлены в таблице 1 и таблице 2.

 

Таблица 1 – Основные физико-механические характеристики электросталеплавильных шлаков

№ п/п	Наименование показателя	Един. измер.	Показатели
1	2	3	4
1	Прочность при сжатии до (частицы более 5 мм)	МПа	400
2	Прочность при расколе до (частицы более 5 мм)	МПа	20
3	Дробимость шлака (частицы более 5 мм)	%	13,8
4	Износ в полочном барабане	%	16,6
5	Водопоглощение по массе в куске,(Wm)	%	7,6
6	Потери по массе(частицы 5-10; 10-20мм) после 25 циклов замораживания и оттаивания	%	3,3
7	Потери при силикатном распаде  (частицы более 5 мм)	%	1,78
8	Устойчивость структуры	%	4,69

 

Таблица 2 – Гранулометрический состав электросталеплавильных шлаков

Наименование показателя	Размер частиц, мм
	5	2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	0,071	>0,071
Частные остатки, %	5	24,1	30,9	6,3	11,3	10,3	4,4	7,7

 

Получение пенобетонной смеси основано на получении однородной массы газ-жидкость-твердое тело. Известны следующие методы получения пенобетона:

1. Классическая схема - специально приготовленную технологическую  пену  смешивают  с  цементной массой  или  цементно-песчаным  раствором,  вслед за этим,  при интенсивном перемешивании массы, получают ячеистобетонную  смесь,  в  которой  последующее  схватывание  и твердение  вяжущего  фиксирует  структуру  материала [1, С. 17], [2, С. 44].
2. Метод «сухой минерализации» - приготовление смеси производят посредством совмещения сухих  составляющих  с  низкократной  пеной,  беспрерывно подаваемой пеногенератором. При этом, по точке зрения А. П. Меркина, происходит «бронирование единичного воздушного пузырька частицами твердой фазы и отсасывание воды из пены». Так образуется высокоустойчивая пенобетонная масса с наименьшим количеством свободной воды [3, С. 23].

На поверхности пенных пузырьков сорбируются (втягиваются  в  пленку  ПАВ)  мелкие  и  гидрофильные  частицы твердой  фазы.  Высокая  концентрация  ПАВ  поверхности раздела «воздушная  пора – дисперсионная  среда»  предопределяет  образование  гладкой  глянцевой  поверхности стенок пор. Формируется плотный припоровый слой толщиной 12-30 мкм – слой, называемый зоной подкрепления [4, С.49].

В условиях эксплуатационных нагрузок на пенобетон объем единичной поры работает как арка и плотный припоровый слой  пенобетона «сухой  минерализации»  может  рассматриваться как армированный нижний пояс конструкции [6, С. 61].

3. Баротехнология производства ячеистобетонной смеси, предусматривает концентрирование массы в герметичном смесителе  сжатым  воздухом и  последующую выгрузку смеси в формы, где в результате перепада давлений происходит вспучивание. По этому способу  в смесь вводят воздухововлекающие добавки ПАВ и применяют особенный герметичный смеситель [5, С. 105].

Смесь приготавливалась тщательным смешиванием всех компонентов (гипс, цемент, опока) до однородной массы. В качестве способа получения пенобетона был выбран двустадийный способ. Он известен, так же, как метод сухой минерализации. Пенообразователем был выбран «Сульфонат» Т.У. 6484 – 64,  производства ЗАО «Химпром» г. Волгограда.

В результате был получен пенобетон со средней плотностью 600, 800, 1000 кг/м3 и низкой теплопроводностью. Полученные образцы показали удовлетворительную морозостойкость.

Оптимизированный расход пенообразователя был подобран с учетом технологического процесса, кратности пены, а также его поведением со всеми компонентами формовочной смеси. Он составил 3% от водного раствора, идущего на приготовление пенообразователя. В данной работе количество воды для получения пенобетона во всех случаях было 0,6 л на 1кг вяжущего.

Полученный материал может использоваться при производстве различных строительных изделий: блоки стеновые, плиты перегородочные (пазовые или пазо-гребневые), панели стеновые перегородочные, плиты теплоизоляционные.

В некоторых случаях может понадобиться дальнейшая модификация материала, в зависимости от назначения изделия.

Учитывая имеющуюся нормативно-техническую документацию, а также основываясь на полученных характеристиках материала, предлагаемая схема получения вспененной компонентной смеси на основе цемента и предлагаемых шлаков, на наш взгляд применима для  производства различных изделий применяемых в качестве перегородок и ограждающих конструкций с использованием оборудования Волгоградского гипсового завода.

Список литературы / References

1. Рябинин А.В. Пенобетон в современном строительстве / А.В. Рябинин // Наука ЮУрГУ Секции технических наук Материалы 67-й научной конференции. – 2015. – С. 1781-1784.
2. Бартеньева Е.А. Неавтоклавный пенобетон с минеральными добавками / Е.А. Бартеньева, Н.А. Машкин // Современное строительство и архитектура. – 2017. - №1. – С. 24-29.
3. Джалалов Ш.Г. Способы повышения эффективности пенбетона / Ш.Г. Джалалов, К.А. Оцоков // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2016. – Т. 42. - №3. – С. 167-174.
4. Даужанов Н.Т. Повышение конкурентоспособности пенобетона и перспективы его применения в строительстве / Н.Т. Даужанов, Б.А. Крылов, Л.Б. Аруова // Промышленное и гражданское строительство. – 2015. - №1. – С. 19-23.
5. Вовко В.В. Пенобетон на основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего / В. В. // Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. – 2005. - №10.
6. Портик А.А. Всё о пенобетоне / А.А. Портик, А.В. Савиных // СПб – 2003. - 224 С.
7. Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности: федер. закон: [принят Гос. Думой 11 ноября 2009 г. : одобр. Советом Федерации 18 ноября 2009г. ] № 261-Ф3

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rjabinin A.V. Penobeton v sovremennom stroitelstve [Foam concrete in modern construction] / A. V. Ryabinin // Nauka  YUUrGU Sektsii tekhnicheskih nauk Materialy 67th nauchnoy konferentsii [Section of technical Sciences Materials of the 67th scientific conference]. – 2015. – P. 1781-1784. [in Russian]
2. Barteneva E.A. Neavtoklavnyy penobeton s mineralnymi dobavkami [Non-autoclaved foam concrete with mineral additives] / E.A. Barteneva // Sovremennoe stroitelstvo u arkhitektura [Modern construction and architecture]. – 2017. - №1. – P. 24-29. [in Russian]
3. Dzhalalov Sh. G. Sposoby povyshenija effektivnosti penobetona [The ways of increase of efficiency of penobetona] / Sh. G. Dzhalalov // Vestnik Dagestanskogo universitetav [Bulletin of the Dagestan University]. – 2016. – V. 1 - №3. – P. 167-174. [in Russian]
4. Dauzhanov N. T. Povyshenie konkurentosposobnosti penobetona i perspektivy ego primenenija v stroitelstve [Improving the competitiveness of foam and prospects of its application in construction] / N. T. Dauzhanov, B. A. Krylov, L. B. Aruova // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo [Industrial and civil construction]. – 2015. - №1. – P. 19-23. [in Russian]
5. Vovko V. V. Penobeton na osnove gipsotsementno-putstsolanovogo vjazhushchego [Foam concrete based on gypsum cement gypsum-pozzolanic binder] / V. V. Vovko // Tekhnologija silikatnykh i tugoplavkih nemetallicheskih materialov [Technology of silicate and refractory nonmetallic materials]. – 2005. - №10. P. 18-23. [in Russian]
6. Portik A. A. Vsyo o penobetone [All about foam] / A. A. Portik, A. V. Savinyh. - Saint Petersburg. – 2003. – 224p. [in Russian]
7. Rossijskaja Federacija. Zakony. Ob energosnabzhenii i o povyishenii energeticheskoy effektivnosti [Russian Federation. Laws. About a conscription and military service]: federal law: [accepted by State Duma on November 11, 2009: approved by the Federation Council on November 18, 2009]. - №261 – FZ. [in Russian]