СПОСОБ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ ПЕНОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 2015 года по МПК C04B38/10 

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к пенобетонам, и может быть использовано на заводах пенобетонных изделий и конструкций при изготовлении товарного пенобетона и при монолитном строительстве.

Известен способ подбора состава смеси ячеистого бетона, в том числе и пенобетона, согласно «Инструкции по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН 277-80».

Этот способ включает определение отношений массы кремнеземистого компонента к массе известково-цементного вяжущего, расчет расхода газообразователя или водного раствора пенообразователя на замес с учетом пористости, расчет расхода материалов на замес с учетом объемной массы ячеистого бетона, коэффициента увеличения массы в результате твердения, расчет масс вяжущего, цемента, извести с учетом содержания CaO в извести, масс воды и кремнеземистого компонента.

Недостатками данного способа подбора состава пенобетонной смеси являются:

- сложный и трудоемкий процесс составления рецептуры пенобетонной смеси;

- невозможность точного определения требуемого количества пены, а соответственно и расхода воды и пенообразователя в пене, на 1 м³ пенобетона; расход пены определяют методом подбора путем последовательного проведения серии экспериментальных проверок.

Цель изобретения - упрощение процесса проектирования составов пенобетонных смесей и оптимизация состава 1 м³ пенобетона разной средней плотности.

Предлагаемый способ проектирования состава пенобетонной смеси основан на точном соблюдении физической закономерности упаковки зерен исходных материалов в сложной системе пенобетона с учетом заполнения межзернового пространства пеной.

Способ проектирования составов пенобетонных смесей включает определение объема составляющих компонентов пенобетонной смеси - цемента, заполнителя, воды и пены расчетным путем и определение расхода компонентов на 1 м³ пенобетонной смеси с учетом насыпной плотности сухих исходных материалов, концентрации водного раствора пенообразователя, объема пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, коэффициента использования пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя (или иначе коэффициент стойкости пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя в цементном растворе).

Отличительными признаками является использование насыпной плотности при расчете объемов сухих исходных компонентов, коэффициента изменения объема сухих исходных компонентов при добавлении воды, определение объема пены расчетным способом.

Способ осуществляется следующим образом: опытным путем определяют ряд параметров:

$${\rho }_{н}^{з}$$ - насыпную плотность заполнителя, кг/м³;

$${\rho }_{н}^{ц}$$ - насыпную плотность цемента, кг/м³;

$${К}_{у}^{з}$$ - коэффициент уменьшения объема заполнителя при добавлении воды, для каждого водотвердого отношения (В/Т);

$${К}_{у}^{ц}$$ - коэффициент уменьшения объема цемента при добавлении воды, для каждого водотвердого отношения (В/Т);

$${К}_{ип}^{(к)}$$ - коэффициент использования пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя (или иначе коэффициент стойкости пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя в цементном растворе); определяют путем смешивания в течение 1 минуты 1-го литра цементного теста (с водоцементным отношением (В/Ц) равным 0,4) и 1-го литра пены, с последующим измерением полученного объема поризованного теста (пеномассы). Объем полученной пеномассы делят на 2 и получают коэффициент использования пены;

$$V_{п}^{(к)}$$ - объем пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, м³; определяется следующим образом: в мерную емкость (объемом 1 литр или более) заливается небольшое количество (30÷100 мл) водного раствора пенообразователя требуемой концентрации и взбивается миксером или дрелью с насадкой в виде перфорированной пластины или проволочной сетки (либо в пеногенераторе) в течение 1 минуты, полученный объем пены замеряется;

рассчитывают общий расход сухих материалов, расход цемента и заполнителя по формулам:

$${Р}_{сух}=\frac{{\rho }_{с}}{{К}_{с}}$$ ,

где Р_сух - расход материалов на 1 м³ пенобетона, кг;

ρ_с - заданная средняя плотность пенобетона, высушенного до постоянной массы, кг/м³;

К_с - коэффициент увеличения массы в результате твердения за счет связанной воды; для предварительных расчетов принимают равным 1,1;

Р_з=Р_сух·з,

где Р_з - расход заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;

Р_сух - расход материалов на 1 м³ пенобетона, кг;

з - доля заполнителя в общем расходе материалов;

Р_ц=Р_сух-Р_з,

где Р_ц - расход цемента на 1 м³ пенобетона, кг;

Р_сух - расход материалов на 1 м³ пенобетона, кг;

Р_з - расход заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;

рассчитывают объемы сухого заполнителя и цемента на 1 м³ пенобетона по формуле:

$$V_{з}=\frac{{Р}_{з}}{{\rho }_{н}^{з}\cdot {К}_{у}^{з}}$$ ,

где V_з - объем заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;

Р_з - расход заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;

$${\rho }_{н}^{з}$$ - насыпная плотность заполнителя, кг/м³;

$${К}_{у}^{з}$$ - коэффициент уменьшения объема заполнителя при добавлении воды;

$$V_{ц}=\frac{{Р}_{ц}}{{\rho }_{н}^{ц}\cdot {К}_{у}^{ц}}$$ ,

где V_ц - объем цемента на 1 м³ пенобетона, м³;

$${\rho }_{н}^{ц}$$ - насыпная плотность цемента, кг/м³;

$${К}_{у}^{ц}$$ - коэффициент уменьшения объема цемента при добавлении воды, определяется опытным путем для каждого В/Т - водотвердое отношение;

рассчитывают общий объем сухих компонентов (заполнителя и цемента) по формуле:

V_сух=V_з+V_ц,

где V_сух - общий объем цемента и заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;

V_з - объем заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;

V_ц - объем цемента на 1 м³ пенобетона, м³;

рассчитывают объем пены на 1 м³ пенобетона, м³, по формуле:

$$V_{п}=\frac{1-V_{сух}}{{К}_{ип}^{(к)}}$$ ,

где V_п - объемы пены на 1 м³ пенобетона, м³;

V_cyx - общий объем цемента и заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;

$${К}_{ип}^{(к)}$$ - коэффициент использования пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя;

рассчитывают концентрацию водного раствора пенообразователя:

$$К=\frac{{Р}_{по}^{п(к)}}{{Р}_{по}^{п(к)}+{Р}_{в}^{п(к)}}\cdot 100\%$$ ,

где К - концентрация водного раствора пенообразователя, %;

$${Р}_{по}^{п(к)}$$ - расход пенообразователя для приготовления пены оптимальной концентрации, л;

$${Р}_{в}^{п(к)}$$ - расходы воды для приготовления пены оптимальной концентрации, л;

рассчитывают расход пенообразователя для приготовления пены требуемого объема по формуле:

$${Р}_{по}=\frac{{Р}_{по}^{п(к)}\cdot V_{п}}{V_{п}^{(к)}}$$ ,

где Р_по - расход пенообразователя для приготовления 1 м³ пенобетона, л;

V_п - объем пены на 1 м³ пенобетона, м³;

$$V_{п}^{(к)}$$ - объем пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, м³;

$${Р}_{по}^{п(к)}$$ - расход пенообразователя для приготовления пены оптимальной концентрации, л;

рассчитывают расход воды в пене для приготовления 1 м³ пенобетона по формуле:

$${Р}_{в}^{п}=\frac{{Р}_{в}^{п(к)}\cdot V_{п}}{V_{п}^{(к)}}$$ ,

где $${Р}_{в}^{п}$$ - расход воды в пене для приготовления 1 м³ пенобетона, л;

$${Р}_{в}^{п(к)}$$ - расход воды в пене с определенной концентрацией водного раствора пенообразователя, л;

V_п - объем пены на 1 м³ пенобетона, м³;

$$V_{п}^{(к)}$$ - объем пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, м³;

рассчитывают расход воды в растворе цемент-заполнитель по формуле:

$${Р}_{в}={Р}_{сух}\cdot \frac{В}{Т}-{Р}_{в}^{п}$$ ,

где Р_в - расход воды в растворе (цемент - заполнитель)

Р_сух - общий расход цемента и заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;

$$\frac{В}{Т}$$ - водотвердое отношение;

$${Р}_{в}^{п}$$ - расход воды в пене (для приготовления пены), л;

При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты:

- возможность определения требуемого количества пены на 1 м³ пенобетона разной средней плотности расчетным путем;

- возможность определения требуемого количества воды и пенообразователя в пене на 1 м³ пенобетона разной средней плотности расчетным путем;

- возможность определения требуемого количества цемента и заполнителя на 1 м³ пенобетона разной средней плотности с учетом их насыпных плотностей.

Осуществление изобретения.

С помощью данной методики был рассчитан состав 1 м³ пенобетона средней плотностью 500 кг/м³.

Для проектирования состава смеси пенобетона средней плотностью 500 кг/м³ (D500) предусмотрено использование портландцемента марки М500Д0 $$\left({\rho }_{н}^{ц}=1230{\text{ кг/м}}^{\text{3}}\right)$$ , микрокремнезема $$\left({\rho }_{н}^{з}=594{\text{ кг/м}}^{\text{3}}\right)$$ , технической воды по ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия» и синтетического пенообразователя Пента Пав 430А.

Расход материалов на 1 м³ пенобетона средней плотностью 500 кг/м³ определяют по формуле:

$${Р}_{сух}=\frac{{\rho }_{с}}{{К}_{с}}=\frac{500}{1,1}=454,5кг$$

Расход микрокремнезема для приготовления 1 м³ пенобетона средней плотностью 500 кг/м³ определяют по формуле:

Р_з=Р_сух·з=454,5·0,3=136,35 кг

Расход портландцемента для приготовления 1 м³ пенобетона средней плотностью 500 кг/м³ определяют по формуле:

Р_ц=Р_сух-Р_з=454,5-136,35=318,15 кг

Объем микрокремнезема в 1 м³ пенобетона определяется по формуле:

$$V_{з}=\frac{{Р}_{з}}{{\rho }_{н}^{з}\cdot {К}_{у}^{з}}=\frac{136,35}{594\cdot 1,11}=0,207{\text{ м}}^{\text{3}}$$

Объем цемента в 1 м³ пенобетона определяется по формуле:

$$V_{ц}=\frac{{Р}_{ц}}{{\rho }_{н}^{ц}\cdot {К}_{у}^{ц}}=\frac{318,15}{1230\cdot 1}=0,259{\text{ м}}^{\text{3}}$$

Объем материалов в 1 м³ пенобетона определяется по формуле:

V_сух=V_з+V_ц=0,207+0,259=0,466 м³

Объем пены в 1 м³ пенобетона определяется по формуле:

$$V_{п}=\frac{1-V_{сух}}{{К}_{ип}^{(к)}}=\frac{1-0,466}{1}=0,534{\text{ м}}^{\text{3}}$$

Коэффициент использования пены с 2,5%-ной концентрацией водного раствора пенообразователя $${К}_{ип}^{(2,5\%)}$$ определен опытным путем и равен 1.

Расход воды и пенообразователя в пене зависит от концентрации водного раствора пенообразователя К.

$$К=\frac{{Р}_{по}^{п(к)}}{{Р}_{по}^{п(к)}+{Р}_{в}^{п(к)}}\cdot 100\%=\frac{1}{1+39}\cdot 100\%=2,5\%$$ ,

Объем пены 2,5%-ной концентрацией водного раствора пенообразователя $$V_{п}^{(2,5\%)}$$ определен опытным путем и составляет 0,9 м³.

Расход пенообразователя для приготовления пенобетона объемом 1 м³ определяют по формуле:

$${Р}_{по}=\frac{{Р}_{по}^{п(к)}\cdot V_{п}}{V_{п}^{(к)}}=\frac{1\cdot 0,534}{0,9}=0,593л$$ ,

Расход воды в пене для приготовления пенобетона объемом 1 м³ определяют по формуле:

$${Р}_{в}^{п}=\frac{{Р}_{в}^{п(к)}\cdot V_{п}}{V_{п}^{(к)}}=\frac{39\cdot 0,534}{0,9}=23,1л$$ ,

Расход воды в растворе (цемент+микрокремнезем) для приготовления пенобетона объемом 1 м³ определяют по формуле:

$${Р}_{в}={Р}_{сух}\cdot \frac{В}{Т}-{Р}_{в}^{п}=454,5\cdot 0,775-23,1=329,1л$$ .

Применение предлагаемого способа проектирования состава пенобетонных смесей по сравнению с прототипом упрощает определение расхода всех компонентов пенобетонной смеси с использованием математического аппарата, причем точность определения количества компонентов зависит от точности определения физических характеристик исходных материалов: $${\rho }_{н}^{ц}$$ насыпная плотность цемента, $${К}_{у}^{ц}$$ - коэффициент уменьшения объема цемента при добавлении воды, $${\rho }_{н}^{з}$$ - насыпная плотность заполнителя, $${К}_{у}^{з}$$ - коэффициент уменьшения объема заполнителя при добавлении воды, $$V_{п}^{(к)}$$ - объем пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, м³, $${К}_{ип}^{(к)}$$ - коэффициент использования пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя.

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к пенобетонам, и может быть использовано на заводах пенобетонных изделий и конструкций, при изготовлении товарного пенобетона и при монолитном строительстве. Способ проектирования составов пенобетонных смесей включает определение объема составляющих компонентов пенобетонной смеси - цемента, заполнителя, воды и пены - расчетным путем и определение расхода компонентов на 1 м³ пенобетонной смеси с учетом насыпной плотности (ρ_н) сухих исходных материалов, концентрации водного раствора пенообразователя, объема пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, коэффициента использования пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя (или иначе коэффициент стойкости пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя в цементном растворе). Применение предлагаемого способа проектирования состава пенобетонных смесей упрощает определение расхода всех компонентов пенобетонной смеси.

Способ проектирования составов пенобетонных смесей, включающий определение расхода составляющих компонентов пенобетонной смеси расчетным путем, отличается тем, что опытным путем определяют параметры:
$${\rho }_{н}^{з}$$ - насыпную плотность заполнителя, кг/м³;
$${\rho }_{н}^{ц}$$ - насыпную плотность цемента, кг/м³;
$${К}_{у}^{з}$$ - коэффициент уменьшения объема заполнителя при добавлении воды, для каждого водотвердого отношения В/Т;
$${К}_{у}^{ц}$$ - коэффициент уменьшения объема цемента при добавлении воды, для каждого водотвердого отношения В/Т;
$${К}_{ип}^{(к)}$$ - коэффициент использования пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя; определяют путем смешивания в течение 1 минуты 1-го литра цементного теста (с водоцементным отношением (В/Ц) равным 0,4) и 1-го литра пены, с последующим измерением полученного объема поризованного теста (пеномассы); объем полученной пеномассы делят на 2 и получают коэффициент использования пены;
$$V_{п}^{(к)}$$ - объем пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, м³; определяется опытным путем следующим образом: в мерную емкость (объемом 1 литр или более) заливается небольшое количество (30÷100 мл) водного раствора пенообразователя требуемой концентрации и взбивается миксером или дрелью с насадкой в виде перфорированной пластины или проволочной сетки (либо в пеногенераторе) в течение 1 минуты, полученный объем пены замеряется;
рассчитывают общий расход сухих материалов, расход цемента, заполнителя по формулам:
$${Р}_{сух}=\frac{{\rho }_{с}}{{К}_{с}}$$ ,
где Р_сух - расход материалов на 1 м³ пенобетона, кг;
ρ_с - заданная средняя плотность пенобетона высушенного до постоянной массы, кг/м³;
К_с - коэффициент увеличения массы в результате твердения за счет связанной воды. Для предварительных расчетов принимают равным 1,1;
Р_з=Р_сух·з,
где Р_з - расход заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;
Р_сух - расход материалов на 1 м³ пенобетона, кг;
з - доля заполнителя в общем расходе материалов, доли единицы;
Р_ц=Р_сух-Р_з,
где Р_ц - расход цемента на 1 м³ пенобетона, кг;
Р_сух - расход материалов на 1 м³ пенобетона, кг;
Р_з - расход заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;
рассчитывают объемы сухого заполнителя и цемента на 1 м³ пенобетона по формуле:
$$V_{з}=\frac{{Р}_{з}}{{\rho }_{н}^{з}\cdot {К}_{у}^{з}}$$ ,
где V_з - объем заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;
Р_з - расход заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;
$${\rho }_{н}^{з}$$ - насыпная плотность заполнителя и цемента, кг/м³;
$${К}_{у}^{з}$$ - коэффициент уменьшения объема заполнителя при добавлении воды, определяется опытным путем для каждого В/Т;
В/Т - водотвердое отношение;
$$V_{ц}=\frac{{Р}_{ц}}{{\rho }_{н}^{ц}\cdot {К}_{у}^{ц}}$$ ,
где V_ц - объем цемента на 1 м³ пенобетона, м³;
$${\rho }_{н}^{ц}$$ - насыпные плотности соответственно заполнителя и цемента, кг/м³;
$${К}_{у}^{ц}$$ - коэффициент уменьшения объема цемента при добавлении воды, определяется опытным путем для каждого В/Т;
$$\frac{В}{Т}$$ - водотвердое отношение;
рассчитывают общий объем сухих компонентов (заполнителя и цемента) по формуле:
V_сух=V_з+V_ц,
где V_cyx - общий объем цемента и заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;
V_з. - объем заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;
V_ц - объем цемента на 1 м³ пенобетона, м³;
рассчитывают объем пены на 1 м³ пенобетона, м³, по формуле:
$$V_{п}=\frac{1-V_{сух}}{{К}_{ип}^{(к)}}$$ ,
где V_п - объем пены на 1 м³ пенобетона, м³;
V_cyx - общий объем цемента и заполнителя на 1 м³ пенобетона, м³;
$${К}_{ип}^{(к)}$$ - коэффициент использования пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя; коэффициент определяют путем смешивания в течение 1 минуты 1-го литра цементного теста (В/Ц=0,4) и 1-го литра пены, с последующим измерением полученного объема поризованного теста (пеномассы). Объем полученной пеномассы делят на 2 и получают коэффициент использования пены;
рассчитывают концентрацию водного раствора пенообразователя:
$$К=\frac{{Р}_{по}^{п(к)}}{{Р}_{по}^{п(к)}+{Р}_{в}^{п(к)}}\cdot 100\%$$ ,
где К - концентрация водного раствора пенообразователя, %;
$${Р}_{по}^{п(к)}$$ - расход пенообразователя для приготовления пены оптимальной концентрации, л;
$${Р}_{в}^{п(к)}$$ - расходы воды для приготовления пены оптимальной концентрации, л;
рассчитывают расход пенообразователя для приготовления пены на 1 м³ пенобетона по формуле:
$${Р}_{по}=\frac{{Р}_{по}^{п(к)}\cdot V_{п}}{V_{п}^{(к)}}$$ ,
где Р_по - расход пенообразователя для приготовления 1 м³ пенобетона, л.
V_п - объем пены на 1 м³ пенобетона, м³;
$$V_{п}^{(к)}$$ - объем пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, м³;
$${Р}_{по}^{п(к)}$$ - расход пенообразователя для приготовления пены оптимальной концентрации, л;
рассчитывают расход воды в пене для приготовления пены на 1 м³ пенобетона по формуле:
$${Р}_{в}^{п}=\frac{{Р}_{в}^{п(к)}\cdot V_{п}}{V_{п}^{(к)}}$$ ,
где $${Р}_{в}^{п}$$ - расход воды в пене для приготовления 1 м³ пенобетона, л;
$${Р}_{в}^{п(к)}$$ - расход воды в пене с определенной концентрацией водного раствора пенообразователя, л;
V_п - объем пены на 1 м³ пенобетона, м³;
$$V_{п}^{(к)}$$ - объем пены с оптимальной концентрацией водного раствора пенообразователя, м³; определяют опытным путем;
$${Р}_{по}^{п(к)}$$ - расход пенообразователя для приготовления пены оптимальной концентрации, л;
$${Р}_{в}^{п(к)}$$ - расходы воды для приготовления пены оптимальной концентрации, л;
рассчитывают расход воды в растворе цемент-заполнитель по формуле:
$${Р}_{в}={Р}_{сух}\cdot \frac{В}{Т}-{Р}_{в}^{п}$$ ,
где Р_в - расход воды в растворе цемент-заполнитель, л;
Р_сух - общий расход цемента и заполнителя на 1 м³ пенобетона, кг;
$$\frac{В}{Т}$$ - водотвердое отношение;
$${Р}_{в}^{п}$$ - расход воды в пене (для приготовления пены), л.