7. Легкие бетоны на пористых заполнителях

Легкими бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания смеси пористых заполнителей естественного или искусственного происхождения с цементным тестом. Характерной особенностью легких бетонов является то, что прочность и средняя плотность крупного заполнителя обычно меньше прочности и средней плотности самого бетона. Поэтому закономерности, управляющие формированием камня из легкобетонной смеси, и требования к компонентам бетона существенно отличаются от таковых для тяжелых бетонов.

7.1. Крупный заполнитель

В качестве крупного заполнителя в легких бетонах могут быть использованы:

а) пористые магматические горные породы: пемза, туфы, туфовые лавы;

б) пористые осадочные горные породы: известковые туфы, известняки-ракушечники, опоки;

в) отходы промышленности: топливные и паровозные шлаки;

г) отходы от переработки древесины;

д) искусственные пористые материалы: шлаковая пемза, керамзит, аглопорит, перлит, вермикулит и др.

Залегание пористых горных пород приурочено к определенным географическим районам, например: пемза и туфы – в Закавказье, известняки-ракушечники – на побережье Черного моря, известковые туфы – в районе Ленинграда, поэтому применение пористых горных пород в производстве легких бетонов ограничено и имеет сугубо местный характер.

Отходы от переработки древесины также используются сравнительно редко, так как большинство вяжущих веществ плохо сцепляется с поверхностью древесины, а на некоторые из них растворимые вещества, содержащиеся в древесине, действуют разрушающе.

Долгое время основным заполнителем в легких бетонах были топливные, особенно паровозные шлаки. Но переход многих железных дорог на электротягу значительно уменьшил их выход и значение в промышленности легких бетонов.

Основными заполнителями в легких бетонах в настоящее время стали керамзитовый гравий и аглопоритовый щебень. В перспективе широкое развитие производства шлаковой пемзы из огненно-жидких шлаков металлургической и химической промышленности и щебня, получаемого ее дроблением.

Для изготовления теплоизоляционных легких бетонов используются вспученный перлит, вспученный вермикулит и особо легкий керамзит.

Каждый из этих заполнителей обладает специфическими особенностями. Общими для них являются требования к гранулометрическому составу и присутствию загрязняющих примесей, аналогичные требованиям к заполнителям для тяжелого бетона. В остальном каждый из перечисленных представителей крупного заполнителя обладает своими специфическими особенностями.

а) Керамзитовый гравий

Изготовляют обжигом при температуре 1100–1200 °С гранул, полученных формированием из легкоплавких железисто-известковистых глин в естественном составе или с различными добавками (пиритные огарки, топливные золы, органические вещества). Иногда в качестве сырья используют имеющиеся в природе сухарные глины и сланцы, не размокающие в воде и поэтому обжигаемые в виде щебня.

При обжиге протекает реакция

Fе₂O₃ + С2FеО+СO₂.

Закись железа (FeO) с кремнеземом, глиноземом и другими окислами, содержащимися в глине, образует вязкое стекло, в котором выделяющийся СО₂ фиксируется в виде мелких пузырьков, превращающихся в поры после охлаждения. Поверхность керамзитовой гранулы покрыта плотной корочкой из частично расстеклованного материала, так как при обдувании гранулы охлажденным воздухом часть закиси железа снова переходит в окись, что приводит к разрушению стекла.

По величине средней плотности керамзитовый гравий разделяют на следующие марки: «150», «200», «250», «300», «350», «400», «450», «500», «600» и «700».

Прочность керамзитового гравия определяется раздавливанием его в специальном металлическом цилиндре, поэтому эта характеристика материала не соответствует его прочности в бетоне.

Нередко, особенно за рубежом, для получения хорошего гранулометрического состава керамзитовый гравий подвергают дроблению с последующим фракционированием по крупности, т. е. рассевом на ситах с соответствующим размером отверстий. Использование дробленого керамзита сопровождается увеличением расхода цемента, так как приходится цементным тестом заполнять поверхностные поры в зернах щебня, и небольшим увеличением средней плотности бетона.

б) Аглопорит

Так называется материал, полученный спеканием на агломерационных машинах легкоплавких суглинков с добавками 10% угольной мелочи и 4% опилок. Выходящие из машины глыбы (коржи) охлаждают и дробят в щебень, который используется в качестве заполнителя в легких бетонах – преимущественно конструктивных и конструктивно-теплоизоляционных.

Аглопоритовый щебень отличается от керамзитового гравия и керамзитового щебня тем, что в нем не вся масса при обжиге перешла в расплав и затем превратилась в стекло, и тем, что основная масса пор образуется не за счет вспучивания, а пустотами между зернами обжигаемого материала, по которым проходят горячие газы. Поэтому в аглопорите отдельные участки массы представляют собой включения сильно обожженной глины. Поры в аглопорите в основном крупные и открытые, поэтому при равной средней плотности прочность аглопорита меньше, чем керамзитового гравия, и расход цемента при изготовлении бетона больше, чем в керамзитобетоне.

Средняя плотность аглопорита изменяется от 400 до 900 кг/м³.

в) Шлаковая пемза (термозит)

Шлаковой пемзой называют пористый материал, полученный вспучиванием металлургических шлаков и по внешнему виду напоминающий вулканическую пемзу. Вспучивание происходит при смешивании расплавленного шлака с водой, которая, испаряясь, образует в шлаке замкнутые поры. Например, огненно-жидкий шлак выливают в ванну, дном которой служит обводненный песок. Для шлаковой пемзы характерно непостоянство средней плотности по высоте вспученного слоя. Поэтому перед применением в качестве заполнителя в бетоне щебень подвергается сортировке по средней плотности, в результате чего получается щебень для различных видов легкого бетона. Средняя плотность шлаковой пемзы может быть различным в пределах от 200 до 900 кг/м³.

Щебень из шлаковой пемзы по эффективности использования почти не уступает керамзиту и превосходит аглопорит. Быстрый рост выхода огненно-жидких шлаков, обусловленный увеличением производства металлов и некоторых продуктов химической промышленности, дает основание предполагать, что со временем щебень из шлаковой пемзы станет основным видом пористых заполнителей.

При сжигании каменных углей в пылевидном состоянии, как это практикуется на тепловых электростанциях, получается зола, содержащая от 2 до 35% углерода. Зола с примесью углерода до 10% используется в качестве добавки к портландцементам и извести, выполняя функции активной минеральной (гидравлической) добавки, а также в силикатных бетонах. Золы с содержанием углерода более 10% применяются в качестве топливосодержащей добавки к глинам и суглинкам, причем при малом содержании углерода они становятся основным компонентом шихты, а суглинки вводятся в качестве добавки, склеивающей зерна золы и позволяющей получить гранулы, пригодные для обжига. При обжиге глинозольных гранул во вращающейся печи получается глинозольный керамзит, а при спекании гранул из золы и суглинка на агломерационных решетах – глинозольный аглопорит, которые, по существу, являются разновидностью керамзита и аглопорита и используются наравне с ними.

д) Вспученный перлит

К числу горных пород вулканического происхождения относятся вулканические стекла: перлит, обсидиан, виттрит и некоторые другие, содержащие в своем составе до 7% воды. При быстром нагревании во вращающихся печах стекла размягчаются, а испаряющаяся вода вспучивает их, образуя мелкопористые структуры. Некоторые вулканические стекла, вспучиваясь при обжиге, увеличиваются в объеме в 15 раз. Получающийся в результате этого щебенистый или пескообразный материал обобщенно называют вспученным перлитом. Насыпная плотность вспученного перлита колеблется в пределах от 75 до 25 кг/м³.

Применяется он для приготовления теплоизоляционных бетонов и растворов – главным образом в виде штучных деталей (блоки, плиты, скорлупы), а также в составе различных обмазок.

е) Вермикулит

Если некоторые виды встречающихся в природе слюд быстро нагревать, то они оплавляются и вспучиваются, образуя зерна гармониковидной формы. В зависимости от крупности зерен вермикулита средняя плотность меняется от 80 до 150 кг/м³ – при величине зерен от 5 до 15 мм и до 400 кг/м³ – если зерна будут меньше.

Вермикулит используют для тепловой изоляции оборудования, работающего при температурах до 1100 °С, для засыпок и изготовления особо легких бетонов.