| 1. СТРУКТУРА ГАЗОБЕТОНА
Особенности свойств ячеистых бетонов — малый объемный вес и низкая теплопроводность — обусловливаются их специфической структурой.
Ячеистые бетоны представляют собой затвердевший искусственный камень с равномерно распределенными в нем порами, форма которых близка к сферической.
Такая структура зависит от равномерности распределения газообразующих добавок в цементно-водной суспензии (шламе). Чем выше дисперсность порошкообразного газообразователя или чем ниже концентрация раствора жидкого газообразователя, тем равномернее он распределяется в цементно-водной суспензии. Равномерность распределения газообразователя является одной из гарантий получения мелкопористой равномерной структуры газобетонного изделия. Структуру газобетона определяет и правильно подобранная вязкость суспензии, в которой идет процесс разложения газообразующей добавки.
Следовательно, при правильно подобранной вязкости суспензии структура и величина пор в газобетонном изделии будут зависеть, в конечном итоге, от качественного перемешивания цементно-водной суспензии с газообразующей добавкой, особенно, если учесть, что количество последней относительно невелико.
Однако, даже при соблюдении всех рассмотренных выше условий, возможно нарушение равномерной структуры газобетонного изделия вследствие расслоения при отливке. Это объясняется следующими причинами: во-первых, газобетонный шлам представляет собой весьма текучую суспензию, склонную к расслаиванию вследствие седиментации; во-вторых, пузырьки газа, образующегося при разложении газообразоиателя, стремятся подняться, а те, которые находятся наверху, испытывают на себе значительно меньшее давление шлама и, в силу этого, расширяются в большей степени.
Таким образом и получается изделие с различным объемным весом по высоте после затвердевания; чем больше высота изделия, тем значительнее эта разница. Высота изделия в данном случае совпадает с направлением вспучивания. У дна формы объемный вес изделия всегда будет больше, чем наверху. Эти соображения подтверждаются исследованиями Графа. В его опытах из газобетонного блока воздушного твердения высотой 42 см были выпилены образцы со следующими показателями свойств;
Расслаивание газобетона может быть вызвано также нарушением теплового режима при формовании ячеистой структуры. При отливке изделий в холодных помещениях слои шлама, прилегающие к стенкам формы, охлаждаются сильнее, чем в центре. А отсюда и неоднородность свойств газобетона в горизонтальных слоях изделий. Все эти трудности возникают при получении газобетона как на алюминиевой пудре, так и на водных растворах перекиси водорода.
Однако при использовании в качестве газообразователя водного раствора перекиси водорода эти неприятные явления сказываются на структуре газобетонного изделия в меньшей степени. При формировании ячеистой структуры газобетона разложение перекиси водорода в цементно-водной суспензии происходит значительно быстрее, чем реакция между алюминиевой пудрой и свободной известью цементно-водной суспензии (или щелочью, вводимой в нее специально, как предусмотрено некоторыми зарубежными патентами). Поэтому седиментация и неравномерное остывание не успевают сказаться на структуре изделия.
Следовательно, в этом случае есть предпосылки для получения изделий с более равномерной структурой.
На рис. 14,а, б и в показана структура газобетона, изготовленного с применением пергидроля. Представлены снимки образцов с различными объемными весами. Диаметр пор у материала с объемным весом 1,2 т/м3 (рис. 14,а) весьма мал и их размер определить на глаз невозможно; при объемном весе 0,7 т/м3 (рис. 14,б) средний диаметр пор составляет 0,5 мм; при объемном весе 0,4 т/м3 (рис. 14,в)—более 2 мм.
Не только размер пор, по и общая пористость газобетона находится в зависимости от объемного веса и колеблется в
широких пределах — от 10 до 80%. Связь между пористостью и объемным весом представлена на рис. 15.
2. ПРОЦЕСС ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ РАЗЛОЖЕНИИ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА В ЦЕМЕНТНО-ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ
Разложение газообразователя в цементно-водной суспензии происходит за счет реакции газообразующей добавки с химическими реагентами, находящимися в самой суспензии или вводимыми в него специально.
Разложение перекиси водорода происходит в результате взаимодействия между водным раствором перекиси водорода и хлорной известью в виде так называемого хлорно-известкового молока. Реакция идет следующим образом:
Хлорно-известковое молоко приготавливают из 1 вес. части, технической хлорной извести и 1,5 вес. частей волы. Граф указывает на возможность применения хлорной извести, содержащей до 35% активного хлора. Отношение 40% раствора перекиси водорода к хлорно-известковому молоку в опытах Графа составляло 1 : 9. Выделяющегося при этой реакции хлористого кальция было достаточно для ускорения твердения цементного камня (до 2% от веса цемента).
Теоретически процесс этот не зависит от химических свойств цементно-водной суспензии. В этом случае в отличие от процесса разложения алюминиевой пудры от газообразователя не требуется высокая степень чистоты.
Каталитическое действие на процесс разложения перекиси водоррда оказывает щелочная среда. Перекись водорода в присутствии гидрата окиси кальция, выделяющегося при затворении цемента с водой или дополнительно вводимого в суспензию, разлагается. Реакция идет по уравнению
По сведениям, приведенным проф. Поповым Н. А., величина водородного показателя pH для различных суспензий колеблется от 11 до 13.
Приведенные авторами определения pH цементно-водных суспензий для цементов различного минералогического состава показали, что величина эта колеблется в пределах между 12,2 и 12,84 (табл. 8).
В этой среде разложение перекиси водорода идет со значительной скоростью.
При необходимости ход процесса разложения пергидроля легко определяется на портативной и простой установке, схема которой представлена на рис. 16.
подогретой водой разложение введенной в нее перекиси водорода, как правило, завершается через 7 мин.
Регулировать скорость разложения перекиси водорода можно, изменяя температуру смеси и вводя в нее корректирующие добавки.
Влияние температуры
Каталитическое воздействие на разложение перекиси водорода оказывает температура среды, в которой протекает реакция. Легче всего регулировать температуру среды, подогревая воду затворения или водно-песчаную суспензию при мокром помоле песка. Процесс разложения перекиси водорода сопровождается выделением тепла. Таким образом, в определенный момент температура суспензии возрастает за счет экзотермичности реакции разложения и достигает величин, приведенных в табл.
9. Зависимость процесса газовыделения от температуры воды затворения представлена на рис. 18.
Следует ответить, что повышение температуры воды затворения (а следовательно, и температуры суспензии) до 45° вызывает увеллчение суммарного объема газа, выделяющегося за 5 мин.
При температуре воды затворения, превышающей 50°, значительно возрастает скорость загустевания ячеистой смеси, которое наступает значительно раньше, чем схватывается цемент, входящий в состав суспензии.
Общее количество выделяющегося газа за эти 5 мин. не возрастает.
Однако с ростом температуры газообразование ускоряется, и образуются более крупные пузырьки газа, подъемная сила которых больше, чем мелких. Пузырьки газа вырываются из суспензии, и она опадает. Таким образом, если температура превышает оптимальную, т. е. 40—50°, то объемный вес газобетона при прочих равных условиях возрастает. Влияние температуры воды затворения на прочность и объемный вес неавтоклавного газобетона иллюстрируется диаграммами рис. 19.
При температуре воды затворения 50° газобетон обладает при относительно низком объемном весе достаточно высокой прочностью. Такая температура соответствует исходной температуре суспензии, приблизительно равной 30°.
Влияние добавок гидратной извести
Добавки извести вводят в суспензию для приготовления газобетона, чтобы увеличить степень связывания кремнезема в условиях автоклавного твердения при недостатке в цементе С3S и увеличить pH среды, в которой идет разложение газообразователя. Обе эти цели могут быть достигнуты за счет добавки извести в гидратированном и негидратированном состоянии. Однако негидратированная известь, вводимая в суспензию цементного газобетона, вызывает обильное выделение тепла за счет ее гашения и чрезмерное ускорение разложения пергидроля. Гидратная же известь не вызывает тепловыделения. При изготовлении газобетона на вяжущем, состоящем из смеси цемента и гидратной извести, содержание извести в сложном вяжущем может доходить до 15%.
Сложное вяжущее, содержащее более 15% извести, обладает чрезмерно большой водопотребностыо, поэтому мы ограничимся рассмотрением вяжущих, содержащих до 15% извести.
Влияние добавок извести на интенсивность газовыделения видно из рис. 20.
Представленная на рис. 20 кривая отражает зависимость суммарного объема газа, выделяющегося при разложении перекиси водорода, от содержания гидратной извести в смешанном цементно-известковом вяжущем при оптимальной температуре воды затворения, равной 40°.
Таким образом, введение до 5% гидратной извести вызывает увеличение газовыделения. С дальнейшим увеличением добавки извести количество выделяющегося газа уменьшается, и, как это будет Показано далее, резко повышается вязкость суспензии (или соответственно водопотребность).
При введении извести сверх 5% необходимо увеличивать содержание воды, а это сводит на нет те преимущества (возрастание прочности газобетона автоклавного твердения), которые могут быть получены за счет введения завышенных количеств извести в цементный газобетон.
Процесс газовыделения при взаимодействии перекиси водорода и хлорной извести
Процесс взаимодействия хлорной извести и перекиси водорода не зависит от химических свойств цементной суспензии, в которой протекает эта реакция. Скорость вспучивания, по данным Графа, зависит от постепенности введения газообразующих добавок. Продолжительность газообразования и длительность вспучивания во времени можно регулировать.
Если в суспензию добавляют вначале хлорно-известковое молоко, а затем перекись водорода, то это вызывает бурное газовыделение, которое практически заканчивается еще в бетономешалке.
Когда же в суспензию вначале вводят перекись водорода, а потом хлорно-известковое молоко, то газообразование идет медленнее. Вспучивание в этом случае будет происходить после разливки в формах. Введение хлорной извести в соотношении 1:1,5 и 1:2 по отношению к перекиси водорода, считая на сухое вещество, вызывает увеличение количества выделяющегося газа в 2,25 раза. Причем наибольший эффект вызывает соотношение газообразователей 1:1,5 при введении хлорной извести в виде водной взвеси, а затем перекиси водорода.
На рис. 21 представлена зависимость газовыделения от количества введенной хлорной извести. При этом не только увеличивается количество выделяющегося газа, т. е. уменьшается потребность в газообразователе, но и появляется возможность вести процесс при температуре до 20° (следовательно, без применения подогретой воды для затворения суспензии). Однако этот процесс имеет, как уже отмечалось выше, существенный недостаток — одновременно выделяющийся хлористый кальций и наиболее активный в момент выделения кислород вызывают значительную коррозию металла форм и арматуры при изготовлении армированных газобетонных изделий. Поэтому применение хлорной извести в сочетании с перекисью водорода целесообразно лишь при изготовлении неармированных изделий. В случае, когда используемый цемент не обеспечивает условий, необходимых для интенсивного разложения перекиси водорода, например, когда pH шлама ниже требуемого, также желательно применение добавок хлорной извести.
Газовыделение при введении различных количеств пергидроля
Количество выделяющегося газа находится в прямой зависимости от количества вступившей в реакцию разложения перекиси водорода.
При дозировании пергидроля в весовых процентах, считая от веса вяжущего (цемента, смеси цемента с известью или гипсом), количество выделяющегося газа при разложении перекиси водорода, содержащейся в пергидроле (от 27 до 31% по ГОСТ 177-55), прямо пропорционально количеству введенного газообразователя (рис. 22).
Однако количество газообразователя, вводимого в суспензию, ограничивается определенными пределами. Эти границы зависят от способности суспензии задержать выделяющийся газ, т. е. от так называемой газоудерживающей способности.
При количестве газа, превышающем газоудерживающую способность суспензии, излишняя его часть будет расходоваться непроизводительно.
Действительно, введение больших количеств газообразователя (обычно более 4%) вызывает образование крупных газовых пузырьков при тонких и слабых стенках пор. Более крупные пузырьки обладают большей подъемной силой и легко прокрывают тонкие пленки. В результате увеличиваются потери газа.
Газовыделение в суспензии из цементов различного минералогического состава
В зависимости от минералогического состава цемента, особенно от содержания в нем C3S и свободной извести, меняется, как показано выше, щелочность цементно-водной суспензии, т. е. водородный показатель pH. Однако изменение pH в интервале от 12 до 13 сказывается на процессе газовыделения незначительно; при щелочности суспензии, равной 12, перекись водорода разлагается с необходимой для формирования ячеистой структуры скоростью и дальнейшее увеличение pH не вызывает поэтому соответствующего увеличения количества выделяющегося газа.
Что же касается интенсивности газовыделения при разложении перекиси водорода в среде цементно-водных суспензий, то для различных цементов она различна, как это показано на рис 23.
Минералогические составы этих цементов приведены в табл. 10.
Однако количество газа, выделяющегося при разложении перекиси водорода в среде цементной суспензии, прямо пропорционально содержанию в цементе трехкальциевого силиката C3S (рис. 24).
3. ПОДВИЖНОСТЬ СУСПЕНЗИИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОБЕТОНОВ
Подвижность суспензии, т. е. вязкость среды, в которой образуются и увеличиваются в размере пузырьки газа, в значительной степени влияет на структуру изготовляемого газобетона. Формирование равномерной структуры его возможно, если вязкое сопротивление суспензии уравновешивает подъемную силу образующихся пузырьков газа.
Это сопротивление должно быть достаточным для того, чтобы воспрепятствовать выходу газа из суспензии. Однако оно должно быть не слишком велико для того, чтобы каждый пузырек мог увеличиться до объема, который может занять содержащийся в пузырьке газ при данном давлении и температуре. Давление, приходящееся на пузырек, несколько выше атмосферного на величину веса столба находящейся над ним суспензии. Таким образом, чем ближе ко дну формы рассматриваемый пузырек, тем большее давление он испытывает и тем меньшего диаметра он будет.
При различных значениях вязкости возможны случаи, когда подъемная сила пузырьков больше вязкого сопротивления суспензии. При таких обстоятельствах возможна большая потеря газа. Газобетон «осядет», а его объемный вес увеличится.
Если подъемная сила меньше вязкого сопротивления суспензии, то смесь будет вспучиваться недостаточно.
Структура газобетона будет наилучшей, а степень полезного использования газа наибольшей, когда подъемная сила пузырьков уравновешивается вязким сопротивлением суспензии.
Регулировать вязкость суспензии можно либо меняя расход воды, либо вводя различные добавки. Цементы различного минералогического состава и разнородные кремнеземистые добавки также обладают различной водопотребностью и из них получают суспензии различной вязкости.
Проще всего определять этот показатель на приборе типа Суттарда (прибор для определения нормальной густоты гипса).
Влияние свойств цементов
Водопотребность суспензии находится в непосредственной связи с водопотребностью входящего в ее состав цемента. Мерой водопотребностн цемента является его нормальная густота. Текучесть же суспензии на определенном цементе определяется одновременно и нормальной ее густотой, и сроками схватывания, как это показано в табл. 11.
Влияние добавок гидратной извести
Выше было показано, что введение в суспензию некоторых количеств гидратной извести влияет на процесс газовыделения. Причем содержание извести в цементно-известковом вяжущем не должно превышать 5%.
Такое же влияние оказывает добавка извести и на текучесть суспензии. Добавка 5% извести в некоторых случаях, как это показано в табл. 12, разжижает суспензию, а в некоторых — сопровождается незначительной потерей ее текучести. Дальнейшее увеличение содержания гидратной извести в силу большой ее водопотребности ведет К резкой потере текучести.
Влияние хлористого кальция
Хлористый кальций, введенный в суспензию с водой затворения, вызывает ее разжижение. Например, для воскресенского цемента текучесть при введении хлористого кальция меняется следующим образом: без добавки текучесть — 4,7 см, с добавкой — 5,1 см.
Влияние вида и содержания кремнеземистого компонента
Введение в суспензию тонкодисперсных кремнеземистых компонентов молотого песка или золы-уноса ТЭЦ вызывает изменение ее текучести. Чем больше тонкомолотого кремнеземистого компонента вводят в состав суспензии, как это видно из кривой на рис. 25, тем более вязкой становится суспензия.
Изменение состава от 1:0 до 1:2 (табл. 13) вызывает снижение текучести на 50%.
Как видно из данных, приведенных в таблице, суспензии с золой-уносом менее подвижны, чем суспензии с молотым песком, что объясняется большей водопотребностью золы.
Водопотребность суспензий с различными кремнеземистыми компонентами
Увеличение содержания кремнеземистого компонента с 1 до 3 вес. частей, как это показано в таблице, ведет к повышению расхода водь! в 1,2 раза. Зола-унос вызывает прирост водопотребности суспензии в 1,4 раза по сравнению с молотым песком (табл. 14).
4. ГАЗОУДЕРЖИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СУСПЕНЗИИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ГАЗОБЕТОНА
Как было показано выше, объемный вес газобетона определяется правильно подобранным соотношением между количеством газа, выделяющегося при реакции разложения газообразования, и вязким сопротивлением суспензии, способствующим удерживанию газа, т. е., в конечном итоге, объемный вес газобетона определяется газоудерживающей способностью суспензии, мерой которой является прирост ее объема при вспучивании.
В табл. 15 показана зависимость газоудерживающей способности суспензии с добавками Са(ОН)2 от изменения температуры и количества газообразователя.
Мерой газоудерживающей способности служит прирост высоты суспензии в процессе ее свободного вспучивания (см) в цилиндре.
Приведенные в табл. 15 показатели подтвердили ранее сделанный вывод об увеличении газоудерживающей способности с ростом температуры в 1,7 раза. Такое же увеличение газосодержания вызывает введение в суспензию из воскресенского цемента 5% гидратной извести (рис. 26).
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ГАЗООБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ГАЗОБЕТОНА
Химическая реакция, за счет которой происходит образование газа, идет в вязкой суспензии. Однако лишь часть выделяющегося газа используется при вспучивании.
Например, при использовании алюминиевой пудры потери газа наблюдаются лишь при его улетучивании с поверхности изделия. Разложение алюминиевой пудры заканчивается через 20—30 мин. после ее введения в смесь. К этому моменту начинается схватывание суспензии.
Из литературных данных теоретический расход алюминиевой пудры на 1 м3 газобетона составляет 0,35—0,47 кг при объемном весе 0,64 т/м3. Однако расход алюминиевой пудры зависит от состава и Консистенции суспензии, дисперсности пудры, ее агломерации и наличия остаточного парафинового налета на зернах пудры.
Когда в качестве газообразователя применяют перекись водорода, разложение идет до конца.
Доказательством может служить следующий расчет, сделанный на основании экспериментальных данных.
Суспензия, состоящая из 100 г воскресенского цемента и 50 г воды, взятой при температуре 40°, занимает объем
где 3,1 — удельный вес цемента в г/см3;
1 — то же, воды в г/см3.
После вспучивания, при введении 10 г пергидроля замеренный в цилиндре объем массы V2 составляет
Следовательно, объем газа, израсходованный на вспучивание, составляет
Количество газа, улетучивающегося из суспензии по данным опыта, составляет 
Всего при реакции разложения перекиси водорода в суспензии выделилось газа:
По реакции 2Н202=2Н2 +02 теоретически при полном разложении каждые 68 г перекиси водорода выделяют 32 г газообразного кислорода. При введении в суспензию 10 г пергидроля 30%-ной концентрации выделится 3•32/68=1,41 г.
Если давление, испытываемое газом, равно атмосферному, то 14,1 г газа займут объем V, рассчитываемый по уравнению
где a — весовое количество газа, равное 1,41 г;
М—молекулярный вес кислорода, равный 32;
t — температура газа, равная 40°.
По расчету должно выделиться 1,13 л газа, а по данным опыта выделилось 1,09 л. Следовательно, неточность определения составляет 0,4 л, или 3,5%.
Все это дает основание считать, что разложение перекиси водорода в суспензии идет до конца.
Однако даже при изготовлении газобетона с обычным расходом газообразователя наблюдаются поверхностные и так называемые объемные потери газа. Объемные потери газа происходят за счет образования пузырьков с большой подъемной силой. Такие пузырьки появляются через 5—6 мин. после введения в смесь пергидроля, в период, когда стенки пор пластичны,
ячеек, но поскольку в этот момент они еще пластичны, то обраразующийся прорыв заплывает — самозалечивается.
Количество полезно используемого газа зависят от состава суспензии и расхода газообразователя (табл. 16).
Таким образом, доля полезно используемого газа составляет от 35 до 50% и она тем больше, чем меньше объемный вес изделий.
ГАЗОБЕТОН НА ПЕРГИДРОЛЕ
Кандидат технических наук П.Д.Кевеш
Инженер Э.Я.Эршлер
1961
|
