Ячеистые бетоны

Ячеистые бетоны являются разновидностью легких бетонов, их получают в результате затвердевания вспученной при помощи порообразователя смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и воды. При вспучивании исходной смеси образуется характерная «ячеистая» структура бетона с равномерно распределенными по объему воздушными порами. Общая пористость ячеистых бетонов составляет 60…85 %. Сферические поры (ячейки) диаметром 0,5…2 мм, равномерно распределенные в теле бетона, разделены тонкими и прочными перегородками (мембранами) из отвердевшего вяжущего вещества, образующими несущий каркас материала. Благодаря этому ячеистые бетоны имеют небольшую плотность, малую теплопроводность и достаточную прочность. Эти свойства, доступность сырья и простота технологии делают ячеистый бетон прогрессивным материалом для эффективных конструкций стен, покрытий зданий из легкого железобетона.

Идея получения поризованных бетонов принадлежит пражскому инженеру Гофману, получившему в 1889 г. патент на изготовление бетонов, пористая структура которых образовывалась за счет выделения CO₂ при реакции HCl и NaHCO₃.

Ячеистые бетоны классифицируются по различным признакам:

1) по способу формирования структуры – газобетоны, пенобетоны и газопенобетоны;

2) по виду вяжущего – на основе цемента, известково-кремнеземистого вяжущего, смешанных вяжущих, гипса или композиционного гипсового вяжущего, шлаковых цементов (шлакощелочной, известкого-шлаковый) и других;

3) по способу твердения – неавтоклавные (естественное твердение, пропарка, электропрогрев и т.д.) и автоклавные;

4) по виду кремнеземистого компонента – на природных кремнеземистых компонентах (песок, трепел, диатомит, опока и других) и искусственных кремнеземистых компонентах – отходах производств (зола-унос, зола гидроудаления, шлаки, тонкодисперсные вторичные продукты обогащения руд, ферросилиций и др.);

5) по назначению – теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные и конструкционные, жаростойкие, декоративные и акустические ячеистые бетоны;

6) по прочности на сжатие ячеистые бетоны делятся на классы В0,5...В15;

7) по средней плотности ячеистые бетоны классифицируются на марки – D300...D1200. Возможно получение и более легких ячеистых бетонов до D75;

8) по морозостойкости ячеистые бетоны делятся на марки – F15...F100;

Плотность ячеистых бетонов сравнительно легко регулировать в процессе изготовления и получать бетоны различной плотности и назначения. По назначению ячеистые бетоны подразделяются на три группы: теплоизоляционные, плотностью в высушенном состоянии не более 500 кг/м³; конструкционно-теплоизоляционные (для ограждающих конструкций), плотностью от 500 до 900 кг/м³; конструкционные (для железобетона), плотностью от 900 до 1200 кг/м³. Кроме того, в последнее время появились ультралегковесные поробетоны с пониженной плотностью от 150 до 300 кг/м³ [17].

Вяжущим материалом для цементных ячеистых бетонов обычно служит портландцемент. Бесцементные ячеистые бетоны (газо- и пеносиликат) автоклавного твердения изготавливают, применяя известково-песчаное вяжущее. Совместно с вяжущим применяют кремнеземистый компонент (молотый кварцевый песок, золу-унос ТЭС и молотый гранулированный доменный шлак), уменьшающий расход вяжущего и повышающий качества ячеистого бетона. В ячеистом бетоне заполнителем по существу является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках.

Кварцевый песок размалывают обычно мокрым способом и применяют в виде песчаного шлама. Измельчение увеличивает удельную поверхность кремнеземистого компонента и повышает его химическую активность. Применение отходов промышленности (золы-унос и доменных шлаков) для изготовления ячеистого бетона является экономически выгодным, так как при этом утилизируются промышленные отходы и удешевляется сам материал.

Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливают опытным путем. Кремнеземистый компонент и портландцемент обычно берут поровну (соотношение 1:1). При перемешивании материалов в смесителе получают исходную смесь – тесто, состоящее из вяжущего, кремнеземистого компонента и воды. Вспучивание теста может осуществляться двумя способами: химическим, когда в тесто вводят газообразующую добавку и в смеси происходит химическая реакция, сопровождающаяся выделением газа; механическим, заключающимся в том, что тесто смешивают с отдельно приготовленной устойчивой пеной.

Для создания высокопористой структуры ячеистых бетонов применяются следующие способы: газообразования; пенообразования; аэрации и сухой минерализации пены; способ насыщения формовочной массы воздухом под давлением; вибровакуумный и комбинированные способы [26, 27].

Газобетон и газосиликат. Газобетон приготавливают из смеси портландцемента, кремнеземистого компонента и газообразователя. В роли последнего обычно выступает алюминиевая пудра или перекись водорода, но чаще все же используют алюминиевую пудру или пасту, которая реагирует с Са(ОН)₂, выделяя водород по реакции:

3Ca(OH)₂ + 2Al + 6H₂O = 3H₂ + 3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O.

Объем выделяющегося газа зависит от активности алюминиевой пудры (пасты) и температуры воды затворения. На 1 м³ ячеистого бетона расходуется около 0,5 кг алюминиевой пудры.

Ячеистый бетон изготовляют по литьевой (обычной) технологии и другими методами. Литьевая технология предусматривает отливку изделий, как правило, в отдельных формах из текучих смесей, содержащих до 50…60 % воды от массы сухих компонентов (В/Т = 0,5…0,6). Приготовленная при смешивании предварительно измельченных компонентов: вяжущего, водно-песчаного шлама и суспензии алюминиевой пудры подвижная вязко-текучая масса заливается в металлические формы на определенную высоту с таким расчетом, чтобы после вспучивания формы были заполнены ячеистой массой. После схватывания смеси (или «созревания») массив разрезают с помощью струн специальной резательной машины на отдельные блоки определенных размеров. Далее полученные блоки загружают в автоклав, где они проходят гидротермальную обработку при температуре 175…183°С и давлении пара 0,8…1,0 МПа. В среде насыщенного водяного пара кремнеземистый компонент проявляет химическую активность и вступает в соединение с Са(ОН)₂, что в итоге обеспечивает ячеистому бетону повышенную прочность и морозостойкость. Время выдержки изделий в автоклаве при максимальной температуре составляет 5…8 ч.

Безавтоклавные ячеистые бетоны, изготовленные по литьевой технологии и твердеющие в условиях тепловлажностной обработки (пропаривание при температуре 80…100°С и атмосферном давлении), значительно уступают автоклавным бетонам по прочности и морозостойкости.

Литьевая технология ячеистого бетона, основанная на применении текучих смесей с большим количеством воды, имеет ряд недостатков. Готовые изделия имеют повышенную влажность – 25…30 %, поэтому у них большая усадка, вызывающая появление трещин. Изделия получаются неоднородными по толщине (высоте формы) вследствие расслоения жидких смесей, всплывания газовых пузырьков. Из-за медленного газовыделения удлиняется производственный цикл и структура самого изделия становится неоднородной.

Другой способ – вибрационный заключается в том, что во время перемешивания в смесителе и вспучивания в форме смесь подвергается вибрации. Тиксотропное разжижение, происходящее вследствие ослабления связей между частицами, позволяет уменьшить количество воды затворения на 25…30 % без ухудшения удобоформуемости смеси. В смеси, подвергнувшейся вибрированию, ускоряется газовыделение – вспучивание заканчивается в течение 5…7 мин вместо 15…50 мин при литьевой технологии. В/Т при вибрационной технологии значительно меньше, чем при литьевой, поэтому уменьшается крупная пористость, и возрастает плотность перегородок между порами. Это способствует повышению прочности и морозостойкости ячеистого бетона.

Вибрационная технология позволяет сократить время доавтоклавной выдержки (созревания) массива и продолжительность самой автоклавной обработки. Структура ячеистого бетона получается более однородной, с пониженной влажностью и повышенной трещиностойкостью.

Газосиликат является разновидностью газобетона. Он изготовляется на основе известково-песчаного вяжущего (без цемента). Изделия из газосиликата приобретают нужную прочность и морозостойкость только после автоклавной обработки, обеспечивающей химическое взаимодействие между известью и кремнеземистым компонентом и образование нерастворимых в воде гидросиликатов кальция.

Пенобетон и пеносиликат. Пенобетонную смесь приготавливают, смешивая между собой раздельно приготовленные растворную смесь и пену, образующую в тесте воздушные ячейки. Раствор получают из вяжущего, кремнеземистого компонента и воды, как и в технологии газобетона. Пену приготовляют в лопастных пеновзбивателях и центробежных насосах из водного раствора пенообразователей, содержащих поверхностно-активные вещества. В качестве последних применяют смолосапониновый, клееканифольный, алюмосульфонафтеновый и синтетический пенообразователи.

Полученную пенобетонную смесь заливают в формы. Перед автоклавной обработкой отформованные пенобетонные изделия выдерживают до приобретения необходимой структурной прочности, тогда изделия не растрескиваются при перемещении форм и для них не опасно расширение воздуха, находящегося в порах-ячейках, происходящее при тепловой обработке.

Водопоглощение и морозостойкость зависят от величины и характера макропористости ячеистого бетона и плотности межпоровых перегородок. Для снижения водопоглощения и повышения морозостойкости стремятся к созданию ячеистой структуры с замкнутыми порами. Этому способствует вибрационная технология, так как при вибрации пенобетонной смеси разрушаются крупные ячейки, снижающие морозостойкость и однородность материала.

Пенобетон в настоящее время менее распространен, чем газобетон, однако ввиду своей низкой себестоимости (пенообразователи гораздо дешевле газообразователей) с каждым годом нарастает производство пенобетонных изделий. Более того, в последние годы в связи с созданием эффективных пенообразователей все большее распространение получают неавтоклавные пенобетоны, что обусловлено стремлением упростить изготовление этого материала, сократить энергозатраты на производство и иметь возможность применения его в условиях стройплощадки. При этом пенобетоны отличаются от газобетонов характером своей структуры – замкнутой пористостью с мелкими сферическими порами. Газобетон имеет крупные поры, поэтому он в большей степени, чем пенобетон, нуждается в защите от воздействия окружающей среды.

Разновидностью пенобетона является пеносиликат. Он, как и его аналог, газосиликат, изготовляется на известково-песчаном вяжущем и подвергается автоклавной обработке.

Свойства и области применения ячеистых бетонов. Свойства ячеистых бетонов зависят от состава, условий образования и стабильности структуры ячеистой смеси. Она должна иметь определенное количество равномерно распределенных пор оптимальных формы и размера, а также сохранять свою структуру до достижения необходимой прочности. Характер пор – замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевшего цементного камня, который сам пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха поры в ячеистом бетоне замкнуты, а для проникновения воды – открыты, поэтому водопоглощение ячеистого бетона довольно высокое и морозостойкость соответственно пониженная по сравнению с бетоном плотной структуры [1].

Ячеистые бетоны характеризуются классами по прочности от В0,5 до В15, марками по морозостойкости от F15 до F100. Несмотря на большое водопоглощение ячеистые бетоны имеют сравнительно высокую морозостойкость. Это объясняется тем, что вследствие большого суммарного объема пор вода не заполняет их полностью и расширение воды при замерзании не разрушает камень. Теплопроводность ячеистых бетонов зависит от их плотности, влажности и ряда эксплуатационных факторов. При влажности 10 % и плотности 600, 800 и 1000 кг/м³ теплопроводность составляет соответственно 0,21, 0,28 и 0,36 Вт/(м∙К).

Плотность неавтоклавного газобетона обычно находится в пределах 400…900 кг/м³, прочность – 0,5…3,5 МПа. Газосиликат отличается более высокими строительно-техническими свойствами (при плотности 300…600 кг/м³ его прочность составляет 0,8…3,5 МПа). Плотность пенобетона (с использованием в качестве заполнителя мелкого песка естественной дисперсности) обычно находится в пределах 600…1000 кг/м³, а прочность 0,5…3,5 МПа. Для получения пенобетонов с меньшей плотностью используют мелкие пески.

Ячеистые бетоны и изделия из них обладают высокими звукоизоляционными свойствами, огнестойкостью. Пористая структура ячеистых бетонов позволяет легко пилить, сверлить и обрабатывать данные строительные изделия. Они отличаются также хорошей гвоздимостью.

Главный недостаток ячеистых бетонов – повышенная влагоемкость, зависящая от величины открытых пор и вида исходных материалов. С повышением влажности бетона прочность его снижается, при полном насыщении влагой она может составлять лишь 65 % прочности в сухом состоянии. Поэтому конструкции из ячеистого бетона нельзя применять без специальной защиты в помещениях с повышенной влажностью.

Ячеистые бетоны обладают сравнительно большой сорбционной влажностью, паро- и воздухопроницаемостью, которая в 5…10 раз больше, чем у тяжелых бетонов. Поэтому наружную поверхность ограждающих конструкций защищают более плотными слоями раствора, природными каменными материалами, керамической плиткой, гидрофобными покрытиями на основе кремнийорганических пленкообразующих веществ и т.п. Защитные слои и покрытия должны предохранять ячеистый бетон от увлажнения атмосферной влагой, иметь с ним прочное сцепление, обладать морозостойкостью не менее 35 циклов и достаточной паропроницаемостью.

Ячеистые бетоны успешно применяются для производства легких железобетонных конструкций и теплоизоляции. Из них изготовляют панели наружных стен и покрытий зданий, неармированные стеновые и теплоизоляционные блоки, камни для стен. Как минимум одно такое изделие по объему заменяет 12 штук кирпича при массе в 3…4 раза меньшей, а по теплозащитным свойствам для получения одинакового эффекта толщину стены можно уменьшить в 5…6 раз.

Ячеистобетонные блоки (рис. 33) можно применять в несущих наружных стенах домов малой и средней этажности (до 4…5), а также в ненесущих наружных стенах многоэтажных зданий. Ячеистые бетоны в конструкции наружных стен удачно сочетаются с кирпичной облицовкой, что позволяет обеспечивать современные требования к теплоэффективности жилых домов.

Для кладки наружных и внутренних стен и перегородок следует применять блоки стеновые из ячеистого бетона автоклавного твердения классов по прочности на сжатие – В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5, марок по средней плотности – D400, D500, D600, марок по морозостойкости – F15, F25, F35, F50, F70.

Ячеистые бетоны по своим технико-экономичеким показателям, а также основным строительным свойствам выгодно отличаются от других разновидностей легких бетонов и находят широкое применение как в России, так и за рубежом. Применение крупноразмерных изделий из ячеистого бетона позволяет значительно уменьшить массу ограждающих конструкций и снизить затраты на возведение зданий [28].