Роль тепловлажностной обработки в технологии композиционного полистиролгазобетона

В ИХТРЭМС КНЦ РАН разработана технология многослойных композиционных стеновых и теплоизоляционных изделий из полистиролгазобетона (ПГБ). В разработанных способах наружные несущие слои в изделиях образуются путем заливки в форму литой газобетонной смеси, затворенной холодной (неподогретой) водой. Для создания теплоизоляционного слоя используется суспензионный бисерный полистирол, в невспененном или частично вспененном состоянии. В основу технологии положен механизм увеличения объемов газобетонной смеси и полистирола при определенных температурах окружающей среды. В выполненных ранее экспериментальных работах были отработаны технологические приемы формования многослойных полистиролгазобетонных изделий в закрытых формах, исследована зависимость прочностных свойств ПГБ от плотности газобетона, определены основные физико-механические свойства нового композиционного материала [2–4].

По количеству конструктивных слоев изделия из полистиролгазобетона подразделяются на двух- и трехслойные. В зависимости от толщины газобетонного слоя можно получать полистиролгазобетон различной плотности — от особо легких плотностью 100–300 кг/м3 до конструкционно-теплоизоляционных плотностью 500–1000 кг/м3. Было установлено, что при послойной укладке несущего газобетонного и теплоизоляционного пенополистирольного слоев достигается существенное уменьшение коэффициента теплопроводности композиционного материала (в 1,5–1,7 раза по сравнению с ячеистым бетоном). Благодаря этому возможно возведение ограждающих наружных стен без увеличения их толщины или выполнения специальных работ с применением дополнительных теплоизоляционных материалов. При этом важно отметить, что достигаются все другие физико-механические и эксплуатационные показатели качества материала, обеспечивающие безопасное и комфортное проживание в помещениях. К таким показателям относятся, в первую очередь, механическая прочность, плотность, свойства материала по отношению к воде (водопоглощение, капиллярный подсос, прочность при попеременном увлажнении и высушивании), а также морозостойкость.

В технологии многослойного ПГБ тепловлажностная обработка (ТВО) как отдельная технологическая операция играет особую роль. Во всех известных технологиях строительных изделий из бетонов на минеральном вяжущем основной целью ТВО при атмосферном давлении в пропарочных камерах является ускорение твердения бетона. При этом следует отметить, что в температурных режимах пропаривания присутствуют интервалы, необходимые как для вспучивания газомассы, так и для вспенивания полистирола. В связи с этим, в отличие от всех других известных технологий, при получении полистиролгазобетонных изделий во время ТВО, помимо ускоренного твердения газобетона, могут осуществляться самопроизвольно, без внешних воздействий, в различной последовательности еще три технологические операции:

1. вспучивание газобетонной смеси,
2. вспенивание полистирола,
3. самопрессование с прижатием друг к другу конструктивных слоев.

Как отмечалось выше, по разработанной технологии полистиролгазобетонные изделия формуются из холодной газобетонной смеси с температурой не более 15–17 C. При такой температуре процессы газообразования и вспучивания бетонной смеси замедляются, благодаря чему остается достаточно времени для послойной укладки в форму составляющих изделие материалов.

Известно, что оптимальная температура прохождения процессов газообразования и вспучивания бетонной смеси находится в пределах 35–45 C. Так как материалы в пропарочной камере разогреваются путем кондуктивной передачи тепловой энергии водяного пара от поверхности изделия внутренним слоям, а сама камера обладает высокой тепловой инерцией, то разогреть холодную газомассу в металлической форме до оптимальных 35–45 C быстрее чем за 45–60 мин практически не удается. Но за это время бетонная смесь на цементно-известковом вяжущем, в условиях медленного и неравномерного разогрева (от периферии к центру) до оптимальных температур вспучивания, начинает схватываться, затвердевать и быстро терять свои вязко-пластические свойства. Вследствие этого вспучивание газомассы затормаживается и может произойти не полностью. Холодную газомассу необходимо разогреть до оптимальных температур вспучивания как можно быстрее, пока она еще находится в подвижном вязко-пластичном состоянии.

На основании этих предпосылок были предложены следующие технологические решения:

• пропарочную камеру предварительно разогреть до 40–45 C;
• закрытые формы с отформованными изделиями ставить в разогретую пропарочную камеру сразу же после окончания формования, без предварительной выдержки до начала тепловой обработки.

Эксперименты показали, что при таких условиях происходит нормальное вспучивание газобетонной смеси с образованием после ТВО газобетонных слоев с требуемыми свойствами.

Экспериментальным путем были исследованы два режима подъема температуры.

1) Ступенчатый подъем температуры:

• первая ступень: выдержка при 40–45 C в течение 20–30 мин;
• вторая ступень: продолжение разогрева изделия до температуры изотермической выдержки со скоростью 30–35 C/ч.

Предпосылкой такого режима послужила целесообразность кратковременной выдержки на первой ступени на уровне 40–45 C, чтобы газомасса прогрелась, начала вспучиваться и стабилизироваться пористая структура. После такой выдержки на первой ступени продолжается непрерывный подъем до температуры изотермической выдержки для ускоренного твердения и повышения прочности бетона (вторая ступень). Общая продолжительность подъема температуры 0,5 + 1,5 = 2 ч.

2) Непрерывный подъем температуры со скоростью 30–35 C/ч, без выдержки при 40–45 C. Общая продолжительность подъема температуры 1,5 ч.

Выполненные эксперименты показали, что получасовая выдержка для вспучивания газомассы в целом не приводит к существенному повышению прочности бетона. К тому же увеличивается цикл подъема температуры на 0,5 ч. Поэтому в дальнейшем приняли за основу подъем температуры в камере по второму режиму со скоростью 30–35 C/ч. При более быстром нагреве возможно получение структуры бетона с неоднородной пористостью с образованием горизонтальных трещин из-за интенсивного тепловлагопереноса. При избранной скорости нагрева получается газобетон без структурных нарушений.

Рекомендуемая температура вспенивания бисерного полистирола находится в диапазоне 90–105 C [1]. По нашим наблюдениям, вспенивание полистирола начинается уже при 80 C. С целью совмещения оптимума температур вспенивания полистирола и пропаривания газобетона температура изотермической выдержки в экспериментах была принята в пределах 85–95 C.

При подъеме температуры до 85–95 C начинается процесс вспенивания полистирола (с увеличением объема в свободном состоянии в 30–50 раз), который очень скоротечен (активное вспенивание 5–6 мин, а полное вспенивание 15–18 мин). В случае повышения температуры изотермической выдержки до 95–100 C (для лучшего вспенивания полимера) наблюдалось пригорание и спекание полистирола в углах формы.

При длительном нахождении в условиях максимальной температуры полистирол снижает свои физико-механические качества. В связи с этим был предложен режим «пикового» разогрева ПГБ с непрерывным подъемом температуры до максимального «пика» 95 C за 90–100 мин, затем сразу, без выдержки, плавное снижение температуры до 60–65 C за 3–3,5 ч (чтобы полистирол не находился длительное время при максимально высокой температуре), выдержка при этой температуре 5–6 ч с последующим снижением температуры в камере до 35–40 C за 3–4 ч.

Преимущества «пикового» режима ТВО:

• полистирол вспенивается при температурах, близких к рекомендуемым;
• сокращаются энергозатраты за счет сокращения периода активного прогрева и снижения температуры изотермической выдержки.

По результатам выполненных формовок и испытаний образцов рекомендуется следующий режим ТВО ПГБ: см. рис. 1.

Рис. 1. Рекомендуемый режим тепловлажностной обработки ПГБ: I — подъем температуры; II — выдержка при 95 C для вспенивания полистирола; III — сброс температуры до 60 C; IV — выдержка при 60 C; V — остывание.

В табл. 1 приведены прочностные свойства трехслойных образцов-кубов из ПГБ с ребром 7,07 см, испытанных после ТВО по предложенным режимам.

Таблица 1. Плотность и прочность трехслойного ПГБ в зависимости от параметров и режимов ТВО

Эффект самопрессования с прижатием друг к другу конструктивных слоев (не наблюдаемый в других технологиях) возникает из-за того, что изделия из ПГБ изготавливаются в формах, закрываемых после укладки всех материалов крышкой, жестко фиксируемой к бортам формы. При достижении температуры в пропарочной камере, достаточной для активизации процессов газообразования, газобетонная смесь вспучивается, увеличиваясь в объеме в 1,3–1,7 раза. При дальнейшем повышении температуры до 85–95 C вспенивается полистирол, с увеличением в объеме в 30 и более раз. Но процессам свободного расширения (увеличения объема) газобетонной смеси и пенополистирола препятствуют жесткие стенки металлической формы, вследствие чего происходит взаимное прижатие (самопрессование) контактирующих материалов. На рис. 2 показан характер взаимодействия газобетона и пенополистирола в результате самопрессования в закрытой форме в процессе ТВО в пропарочной камере.

а. б.

Рис. 2. Взаимодействие газобетона с пенополистиролом при пропаривании в закрытой форме: а) ×10, б) ×20

В принципе возникающий эффект самопрессования позволяет получать слоистые изделия без применения каких-либо дополнительных приспособлений для скрепления конструктивных слоев. Тем не менее необходимы дальнейшие исследования механизма адгезии газобетона и пенополистирола. Нужно выяснить, достаточна ли прочность самопрессования для надежного соединения конструктивных слоев без применения специальных гибких связей — анкеров из стальной или базальтово-пластиковой арматуры, как делается в технологии трехслойных стеновых блоков [5].

Таким образом, термовлажностная обработка методом пропаривания играет определяющую роль в технологии полистиролгазобетона, так как на этой стадии происходят окончательное формообразование изделия и достижение всех необходимых физико-механических свойств многослойного композиционного ПГБ. От традиционной газобетонной технологии предложенный способ отличает отсутствие этапов предварительной выдержки газобетонной смеси перед термообработкой для ее вспучивания, набора критической прочности и срезки «горбушки» (излишка газобетонной смеси над бортами открытой формы), а от традиционной пенополистирольной — отсутствие этапов предварительного вспенивания бисерного полистирола и прессования плит. Процессы вспучивания газомассы, вспенивания гранул полистирола и ускорения твердения бетона происходят во время одной технологической операции — пропаривания бетона, только в разной последовательности и с разной интенсивностью: вначале, с повышением температуры (в интервале 30–45 ºC) довспучивается газобетонная смесь, затем, при достижении более высоких температур (свыше 80 ºC), бурно, в течение 3–4 мин, вспенивается полистирол, и оба этих процесса проходят на фоне постепенного набора прочности газобетона.

Автор: А. А. Пак, к. т. н.

1. Бейлин В. И., Кушеверская С. В., Шехтмейстер И. Э. Свойства, переработка и применение вспенивающегося полистирола. — М.: НИИТЭХИМ, 1985.
2. Пак А. А. Особенности получения и свойств термоэффективного многослойного полистиролгазобетона // Популярное бетоноведение : сб. докладов II международной конференции. — СПб., 2008. — С. 99–103.
3. Пак А. А., Сухорукова Р. Н. Слоистый композиционный материал для повышения тепловой изоляции зданий // Вестник МГТУ. — 2004. — № 3. — С. 468–472.
4. Пак А. А., Сухорукова Р. Н., Гришин Н. Н. Композиционные изделия из полистиролгазобетона и обоснование зависимости их теплопроводности от плотности и слоистости материала // Строительные материалы. — 2006. — № 6. — С. 28–30.
5. Пономарев О. И., Ломова Л. М., Заикин А. Ф. Блоки трехслойные теплоэффективные в малоэтажном строительстве // Строительные материалы. — 2007. — № 3. — С. 48–49.