7. Ячеистые бетоны

1.7.1 Общие сведения

Это особо легкие бетоны с большим содержанием мелких и средних воздушных пор размером до 1-3 мм. Их количество может достигать до 85% от общего объема бетона.

Пористость ячеистым бетонам придается химическим и механическим способом. В первом случае к вяжущему добавляют специальные газообразующие добавки. В результате в тесте происходит реакция газообразования, оно вспучивается и становится пористым. Затвердевший материал называют газобетоном. Во втором случае тесто, состоящее из вяжущего, мелкого заполнителя и воды, смешивают с отдельно приготовленной пеной. Образующийся пористый материал называют пенобетоном.

Ячеистые бетоны впервые получены в Чехословакии (Гофманом) в 1889г. HCl + NaHCO₃ (питьевая сода). В 1917 г. применили дрожжи в Голландии. Но для производства оказался удобным способ с использованием алюминиевой пудры. Он предложен в 1914 г. (Эйлверт и Дайер, США).

В 1918г. в Швеции (Эриксон) для обработки отформованной ячеистобетонной массы впервые применен автоклавный способ. Патент получен им в 1923г. Он совершенствовался в направлении полной замены цемента известью и более широкого использования тонкомолотых кремнеземистых добавок.

Способ получения пенобетона впервые разработан в 1911г. в Дании (Байер). Патент получен в 1925г. Эти две технологии в настоящее время являются основными при создании в бетонах ячеистой пористой структуры. Ячеистые бетоны стали завоевывать признание с 1925-1926гг.

В нашей стране (б. СССР) с 1930г. на многих стройках применялся неавтоклавный пенобетон. Изготовление автоклавных пенобетонных изделий было начато в 1939-1940гг. А начиная с 50-х годов, развивается производство газобетонов и газосиликатов. В 1959г. было закуплено 10 заводов по производству автоклавного ячеистого бетона( 200 тыс. м³). Применение автоклавной обработки позволило значительно расширить сырьевую базу ячеистых бетонов. Появилась возможность использовать в качестве вяжущих природные вещества, отходы промышленности, а также некоторые вяжущие вещества, которые в естественных условиях имеют очень низкую прочность.

2. Классификация ячеистых бетонов

Их можно разделять по разным признакам: по назначению, по условиям твердения, по способу порообразования, по видам вяжущих и кремнеземистых компонентов.

По первому признаку различают три вида:

• Конструкционные, со средней плотностью Д1000-1200

• Конструкционно-теплоизоляционные, Д500-Д900

• Теплоизоляционные, Д300-Д500

По условиям твердения различают: автоклавные (твердение происходит в среде насыщенного пара при давлении выше атмосферного) и неавтоклавные, которые твердеют в естественных условиях, при электропрогреве или в среде насыщенного пара при атмосферном давлении.

По способу порообразования ячеистые бетоны подразделяют на:

• Газобетоны

• Пенобетоны

• Газопенобетоны

По виду основного вяжущего различают ячеистые бетоны:

• На известковых вяжущих, состоящих из известки-кипелки более 50% по массе.

• На цементных вяжущих, в которых содержание портландцемента 50% и более по массе.

• На смешанных вяжущих, состоящих из портландцемента от 5 до 50 %, извести и шлака.

• На шлаковых вяжущих (шлака >50%).

• На зольных вяжущих (золы > 50%)

По виду кремнеземистого компонента:

• На природных материалах - тонкомолотом кварцевом песке и других песках.

• На вторичных продуктах промышленности - золе-уноса ТЭС, отходов ферросплавов и других.

Используемое вяжущее и порообразователь определяют название ячеистого бетона:

• На цементе – пенобетон, газобетон.

• На извести – газосиликат, пеносиликат.

• На шлаке – газошлакобетон, пеношлакобетон.

2. Основные свойства ячеистых бетонов

Марка ячеистых бетонов зависит от средней плотности. Кубиковая прочность определяется через 12 часов после ТВО или 28 суток нормального твердения (В0,5 до В12,5) Прочность на изгиб составляет 0,5-0,6 прочности на сжатие. Это больше, чем у обычных бетонов. Коэффициент упругости ячеистых бетонов составляет 0,92…0,97. Он характеризует ячеистые бетоны как хрупкий материал

V_y=E_y/E_полн

где E_y и E_полн – упругие и полные относительные деформации.

Усадка у ячеистых бетонов выше, чем у тяжелых, для автоклавных она составляет 0,4…0,5мм/м, для неавтоклавных она значительно выше – до 3мм/м.

Морозостойкость ячеистых бетонов зависит от структуры цементного камня и виды применяемого вяжущего. Ячеистые бетоны на цементе обладают более высокими показателями, чем газо- и пеносиликаты. Марка по морозостойкости F15-F100.

Теплопроводность ячеистых бетонов зависит от средней плотности и влажности. Обычно теплопроводность определяется в сухом состоянии.

λ= 0,08-0,38 ккал/мчК [Вт/м*К].

В расчетах при определении толщины ограждающих конструкций надо учитывать эксплуатационную влажность ячеистых бетонов (W= 8-12% по объему).

Огнестойкость ячеистых бетонов высокая и связана с несгораемостью и хорошими теплоизолирующими свойствами. Они выдерживают воздействие огня в течение нескольких часов.

Коэффициент конструктивного качества ККК=R_сж /ρ₀²

где ρ₀- средняя плотность кг/м³.

2. Способы получения ячеистой структуры

Известно несколько способов:

1. Вспучивание за счет газообразования.

Оптимальная структура фиксируется в момент завершения газовыделения поризованной массы.

2. Использование пены.

Структура получается в процессе смешивания водной суспензии тонкодисперсных веществ, с предварительно приготовленной пеной. А суспензия состоит из одного вяжущего или его смеси с кремнеземистым компонентом и минеральными добавками.

3. Аэрирование массы, в которую введен пенообразователь. Здесь структура определяется характером полученной пены и дополнительно вводимым воздухом. Сюда же можно отнести и баротехнологию.

4. Газопенная технология объединяет два способа формирования ячеистой структуры: воздухововлечение при пенообразовании и вспучивание при газовыделении.

Более подробно рассмотрим газообразование. При добавлении в смесь газообразователя происходит вспучивание. Это результат двух основных параллельно происходящих процессов: газовыделения и схватывания смеси.

По типу химических реакций газообразователи делятся на следующие виды:

-Разлагающиеся с выделением газа (пергидроль)

2H₂O₂=2H₂O+O₂

-взаимодействующие между собой и выделяющие газ

2HCl+CaCO₃= CaCl₂+CO₂+H₂O

-вступающие в химическое взаимодействие с вяжущими или продуктами его гидратации.

Чаще всего для этого используют алюминиевую пудру или пасту

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

1 кг алюминиевой пудры выделяет в нормальных условиях 1,245 м³ H₂, а при 40 ⁰С -1,425м³.

Реакция между Al пудрой и раствором, содержащим Ca(OH)₂, начинается сразу же после их смешивания. Поскольку растворимость H₂ в воде незначительна (0,01819л/л при 20 ⁰С) в результате быстрого перенасыщения образуются мельчайшие пузырьки газа. Они увеличиваются в размере. Когда давление внутри пузырька превысит предельное напряжение сдвига смеси, начинается ее вспучивание. Если подвижность смеси недостаточна, смесь вспучивается очень плохо из-за высокой вязкости. При избыточной подвижности образовавшиеся пузырьки газа будут всплывать и бесполезно уходить из массы.

В любом случае часть H₂ теряется, но большая его часть (до 85%), расширяясь вспучивает массу. Очень важно, чтобы к моменту завершения процесса выделения H₂ смесь загустела и смогла зафиксировать ячеистую структуру. Если смесь не успела загустеть и не имеет достаточной пластической прочности, она может оседать. Если же смесь уже схватилась, а газовыделение продолжается, то газ прорывается в каких-то отдельных местах и структура получается неоднородная, с трещинами.

Регулировать этот процесс можно с помощью добавок- пластификаторов и ускорителей (NaOH и сода ускоряют газообразование)

Технологическая схема производства изделий автоклавным способом

Существует две основные схемы формования ячеистобетонных изделий: литьевая и вибрационная.

В случае литьевой технологии вспучивание массы происходит в неподвижных формах в течение 20-50 мин, а вызревание длится 4-6 ч. Смеси отличаются повышенной подвижностью (В/т=0,45…0,65), что вызывает увеличение расхода вяжущего и продолжительность цикла производства изделий.

При вибрационной технологии процесс вспучивания интенсифицируется вибрационными воздействиями. Происходит разжижение смеси и ускорение реакции газообразования (В/т=0,3…0,4).

При этом снижается количество воды затворения на 25-30%, ускоряется вспучивание, газовыделение заканчивается через 5-7мин.

Разновидностью вибрационной и литьевой технологии является резательная технология: после формования и созревания массива изделия получают разрезанием на отдельные блоки с последующим автоклавированием или пропаркой.

Порядок получения газобетонной смеси следующий. В передвижной газобетоносмеситель загружают песчаный шлак, известково-песчаное вяжущее или цемент. Перемешивают в течение 2-3 мин. После этого в смеситель подают отдозированное количество Al пудры в виде суспензии или пасты и перемешивают еще 3 мин. Газобетонную смесь заливают в формы при помощи гибких рукавов смесителя при 38-43С. Отформованные изделия выдерживают в течение 3-4ч. на теплом полу, в котором вмонтированы водяные или паровые регистры. Это способствует улучшению условий вспучивания и схватывания газобетонной смеси. Затем следуют операции срезки горбушки, автоклавирование, распалубка и складирование.

Получение ячеистой структуры при пенообразовании

В технологии получения пенобетона и пеносиликата различают следующие стадии:

-получение устойчивой пены из водного раствора пенообразователя;

-получение поризованной смеси смешиванием приготовленной пены с цементным тестом или раствором;

-твердение отформованных изделий.

Для получения пены используют поверхностно-активные вещества, т.е. такие, которые понижают поверхностное натяжение. Пену характеризуют следующие показателями: стойкостью, кратностью, средней плотностью и количеством выделяемой из пены жидкости за определенный промежуток времени.

Ранее выпускались пенообразователи на основе природных органических веществ: костный клееканифольный, гидрализованная кровь (ГК), смолосалониновый, смола древесная омыленная (СДО).

В последние годы появились более эффективные синтетические пенообразователи.

ПБ-2000, ПБ-2007(Иваново) ПБ-1(выпускался Новочеркасским заводом на основании патента, полученного совместно с нашей кафедрой).

2. Применение ячеистых бетонов

Из ячеистого бетона производят различные стеновые и теплоизоляционные изделия для жилищного и гражданского строительства. Наиболее распространенный вид продукции - мелкие стеновые блоки (ρ₀ от 350 до 1100 кг/м³, классов от В1 до В12,5). Их используют для возведения стен и перегородок, а также как утеплитель для стен из тяжелого бетона. Из крупноразмерных изделий производят навесные панели для наружных стен зданий, панели перекрытия и др.

Для стен подвалов и других частей зданий, где возможно сильное увлажнение, бетон ячеистый применять нельзя.

Следует учитывать, что с каждым процентом увеличения влажности теплопроводность возрастает на 7-8,5 %. Поэтому поверхность изделий из ячеистых бетонов покрывают штукатурным слоем или пропитывают гидрофобизирующими составами.

Вопросы для самоконтроля к главе 1.

1. Общие понятия о высокопрочных тяжелых и легких бетонов и условия их получения.

2. Влияние вида портландцемента на свойства высокопрочных бетонов.

3. Роль заполнителей при получении высокопрочных бетонов.

4. Особенности определения состава высокопрочных бетонов.

5. Применение повторного и циклического вибрирования при получении бетонных изделий.

6. Учет фактора времени при получении бетонных изделий.

7. Особенности условий твердения высокопрочных бетонов.

8. Рациональные области применения высокопрочных бетонов.

9. Способы получения быстротвердеющего бетона и его свойства.

10. Фибробетоны. Сущность армирования бетона волокнами.

11. Виды и свойства волокон, применяемых для изготовления фибробетона.

12. Особенности приготовления бетонной смеси с дисперсной арматурой.

13. Особенности поведения фибробетонов при воздействии нагрузки.

14. Области применения фибробетона.

15. Основные недостатки бетона и как их можно исправить с помощью полимеров?

16. Что такое бетонополимеры? Классификация бетонополимеров.

17. Полимербетоны. Материалы. Технология, область применения.

18. Полимерцементные бетоны и их свойства.

19. Применение добавок полимеров для улучшения свойств бетонов. Суперпластификаторы.

20. Применение гранул пенополистирола в качестве заполнителя в бетонах.

21. Что такое стиропорпенобетон. Его получение, свойства и применение.

22. Общие понятия о шлакощелочных бетонах.

23. Шлакощелочные цементы, способы их получения.

24. Особенности технологии производства изделий из шлакощелочных бетонов.

25. Свойства и области применения шлакощелочных бетонов.

26. Материалы для декоративных мелкозернистых бетонов.

27. Способы получения декоративных бетонов.

28. Материалы для получения ячеистых бетонов. Их классификация.

29. Технология автоклавных ячеистых бетонов.

30. Особенности технологии ячеистых изделий неавтоклавного твердения.

31. Материалы, используемые для получения жаростойких бетонов. Дать их характеристику.

32. Получение и свойства жаростойкого бетона.

33. Особенности технологии и свойства кислостойких бетонов.

34. Мелкозернистые бетоны. Способы получения. Материалы для их изготовления.

35. Особенности технологии и область применения мелкозернистых бетонов.

Литература

1. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Специальные бетоны. – Москва: Инфра - Инженерия, 2012. – 368 с.

2. Рыбьев И.А.   Строительное материаловедение : учеб. пособие для строит. спец. вузов / И. А. Рыбьев. М. : Высш.шк., 2008- 701 с.

3. Строительное материаловедение : Учеб. пособие для строит. спец. вузов по напр. 270100 "Стр-во ". Под общ. ред. В.А.Невского. - Ростов н/Д : Феникс, 2007 - 571 с.

4. Юдина Л. В. Испытание и исследование строительных материалов [Текст] : учеб. пособие по напр. "Стр-во" - М. : АСВ, 2010. - 231 с.

5. Белов В.В.  Строительные материалы [Электронный ресурс] : учебник для бакалавров / В. В. Белов, В. Б. Петропавловская, Н. В. Храмцов. - М. : Ассоциация строительных вузов, 2014 - 272 с. - Режим доступа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785930939651.html

6. Белов В.В.  Краткий курс материаловедения и технологии конструкционных материалов для строительства [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. В. Белов, В. Б. Петропавловская, 2011 – 216 с. – Режим доступа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785930934090.html