Дзабиева Л.Б., доцент, к.т.н.
Змачинский А.Э. доцент, к.т.н.
Кафедра «Технология бетона и строительные материалы»
Белорусский национальный технический университет, Минск
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СОСТАВА ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА
Существующая методика [1] расчета состава ячеистого бетона основана на методе абсолютных объемов, при котором считается, что объем готового ячеистого бетона Vя.б состоит из двух составляющих: объема твердой фазы Vт.ф и объема пор Vп.
Пористость ячеистого бетона, в свою очередь, учитывается как состоящая из двух частей, отличающихся механизмом ее формирования. Первая часть формируется за счет реакции газообразования, например, алюминиевой пудры Al с гидрооксидом кальция Ca(OH)2 вяжущего с выделением водорода H2 при получении газобетона или за счет объема введенной пены при производстве изделий из пенобетона. Вторая часть формируется за счет испарения той части воды затворения, которая осталась свободной, не связавшись в гидросиликаты кальция при твердении ячеистого бетона.
Следовательно, объем ячеистого бетона можно выразить формулой
. (1)
Далее поступают следующим образом. Объем готового ячеистого бетона принимается за единицу. Доля химически связанной воды учитывается через коэффициент Кс, который показывает степень увеличения массы сухих материалов формовочной смеси за счет гидратационного связывания воды при образовании гидросиликатов кальция.
Тогда расход сухих материалов для получения ячеистого бетона средней плотности ρб выражается через ρб/Кс. Умножив его на величину принятого в производстве водотвердого отношения В/Т, рассчитываем долю пористости ячеистого бетона, которая формируется за счет испарения воды
.
Пористость, создаваемая газообразователем рассчитывается по величине удельного газообразования в каждом конкретном случае из уравнения химической реакции газообразования. В случае использования алюминиевой пудры идет реакция
2Al+3Ca(OH)2+6H2O = 3CaO × Al2O3 × 6H2O + 3H2 ,
а величина обозначается в [1] как Пг.
Доля объема, приходящаяся в ячеистом бетоне на твердую фазу рассчитывается как Vт.ф. = ρб/Кс × W, где W – удельный объем сухих материалов, затраченных на получение ячеистого бетона, измеряемый в л/кг. Удельный объем представляет собой величину, обратную истинной плотности вещества, и характеризует объем, занимаемый единицей его массы. Таким образом, принцип абсолютных объемов в [1] выражен зависимостью 1 = ρб/Кс (W + В/Т) + Пг, в которой объем ячеистого бетона принят за единицу.
При выполнении расчета состава ячеистого бетона наиболее проблематичным оказывается определение величины W, поскольку эта характеристика зависит от соотношения твердых материалов в формовочной смеси: доли цемента в смешанном вяжущем, отношения массы кремнеземистого компонента к массе вяжущего, от величины истинной плотности кремнеземистого компонента, которая существенно отличается в случаях замены песка, например, золой или шлаком.
Поскольку в состав сырьевой смеси для ячеистобетонных изделий входят материалы, вступающие в химическое взаимодействие с водой (известь, портландцемент), использование последней в качестве рабочей жидкости в пикнометрах и объемомерах Ле-Шателье при прямом определении истинной плотности исключается и требуется замена ее инертными по отношению к испытуемым материалам жидкостями: керосином, уайт-спиритом и т.п., что значительно усложняет проведение эксперимента по определению истинной плотности поризуемых материалов.
Поэтому в [1] предусматривается определение W по результатам опытного замеса, но по более простой методике. Смесь сухих материалов затворяется водой в соответствии с принятым значением водотвердого отношения и определяется фактическое значение плотности растворной смеси , кг/л, обратная величина которой дает абсолютный объем, занимаемый единицей массы жидкого раствора. Вычитая из полученного результата величину В/Т, получаем искомое значение абсолютного объема, занимаемого единицей массы сухих материалов:
, л/кг.
Кроме того, чтобы обеспечить размерность получаемого результата в л/кг, надо вычитаемое В/Т разделить на плотность воды ρв = 1 кг/л, о чем умалчивается в [1].
Необходимость экспериментального определения фактической плотности раствора затрудняет проектные технологические расчеты расхода сырьевых материалов при производстве ячеистых бетонов. В то же время, зная физические характеристики исходных сырьевых материалов, величину их удельного объема можно рассчитать аналитически для всех случаев их соотношения в формовочной массе.
Выразим абсолютный объем составляющих ячеистобетонной смеси как
, (2)
где – затраченные на ее получение массы извести, портландцемента, кремнеземистого компонента и гипса, а – соответствующие значения их истинной плотности.
Соотношение компонентов в сырьевой смеси выразим в соответствии с [1]. Так, доля n портландцемента в смешанном вяжущем, которая принимается в зависимости от условий эксплуатации ячеистобетонного изделия в диапазоне от 0 до 0,7, рассчитывается как , откуда
. (3)
Каждому виду вяжущего соответствует своя оптимальная доля кремнеземистого компонента, зависящая от содержания в вяжущем гидроокиси кальция, способной вступать в соединение с кремнеземистым компонентом при автоклавной обработке. Если содержание кремнеземистого компонента выше оптимального, его избыток становится инертным наполнителем, снижающим прочность изделия. При заниженном содержании кремнеземистого компонента недоиспользуются возможности вяжущего, изделия удорожаются; за счет повышенной усадки снижается их трещиностойкость. Количество кремнеземистого компонента, приходящегося на единицу массы вяжущего, обозначается в [1] через С, а исходные значения этого коэффициента рекомендуются в зависимости от вида вяжущего и требуемой средней плотности ячеистого бетона [2].
Для известково-цементного вяжущего при различных соотношениях между цементом и известью исходное значение Сс.в рассчитывается по формуле
Сс.в. = Сц n +× Си(1-n), где Сц и Си - оптимальное отношение массы кремнеземистого компонента соответственно к массе цемента и извести. Тогда суммарная масса кремнеземистого компонента может быть рассчитана по формуле
(4)
Масса mг гипсового камня, используемого для регулирования экзотермичности процесса гашения извести, определяется как
. (5)
Подставляя (3), (4), (5) в (2), получим расчетную формулу для аналитического определения абсолютного объема, занимаемого массой сухих материалов ячеистобетонной смеси.
(6)
Отсюда получим значение удельного объема сухих материалов W, л/кг, разделив величину V на общую массу сухих материалов.
Выполнение расчетов на ЭВМ позволяет исследовать различные соотношения компонентов и осуществить подбор состава с требуемыми свойствами, не прибегая к выполнению лабораторных экспериментов.
Введя обозначения , получим выражение для удельного объема сухих материалов
. (7)
Если пренебречь долей гипса в смеси сырьевых материалов ввиду его сравнительно малого расхода, а иногда и полного отсутствия в рецептуре, то расчетная формула примет вид
. (8)
Как видно, величина удельного объема сухих материалов, рассчитанная по формулам (7) или (8), определяется только их соотношением в сырьевой смеси – n, Си, Сц и константами поставляемых материалов – величинами их истинной плотности, что соответствует физическому смыслу рассчитываемой величины.
На рис. 1 представлена рассчитанная на ЭВМ зависимость удельного объема сухих материалов для ρб= 650 кг/м3 при изменении значения n от 0 до 0,5 при исходных величинах ρи = 2,95 кг/л; ρц = 3,1 кг/л; ρк = 2,65 кг/л; Си = 4, Сц = 1.
Рис. 1. Зависимость удельного объема сухих материалов от доли цемента в смешанном известково-цементном вяжущем.
На рис. 2 иллюстрируется изменение W для тех же материалов при n = 0,5; Сц = 1, когда Си изменяется в пределах от 3 до 6.
Рис. 2. Изменение удельного объема сухих материалов ячеистобетонной смеси в зависимости от соотношения массы кремнеземистого компонента и извести.
Рис. 3 показывает изменение величины W для названных материалов при n = 0,5; Си= 4, Сц = 1, при изменении ρк от 2,3 до 2,65 кг/л.
Рис. 3. Зависимость удельного объема сухих материалов ячеистобетонной смеси от истинной плотности кремнеземистого компонента.
Как видно, наибольшее влияние на величину W оказывает вид кремнеземистого компонента (значение его истинной плотности).
Т.о. разработанная методика аналитического расчета величины удельного объема сухих составляющих ячеистого бетона весьма чувствительна к изменениям технологических параметров ячеистобетонной смеси.
Поскольку для нахождения оптимальных составов надо провести опытные замесы с изменяющимися в широком диапазоне значениями соотношения кремнеземистого компонента и вяжущего (другими словами, перерасчеты состава требуется выполнять неоднократно), определение величины удельного объема составляющих смеси аналитическим расчетом существенно сокращает трудоемкость технологического проектирования. Кроме того, это открывает широкие возможности повышения точности результатов путем использования ЭВМ в процессе технологического проектирования.
Литература
1. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона. СН277-80. – М.: Стройиздат, 1981. – 47 с.
2. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого автоклавного бетона по комплексной вибрационной технологии. – М.: Стройиздат, 1975. – 45 с.
3. Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий по производству изделий из ячеистого и плотного бетонов автоклавного твердения. ОНТП-9-81. – Таллинн. Минстройматериалов СССР, 1985. – 98 с.