Поризованный бетон. структура и строительные-технические свойства. Славчева Г.С

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Академический научно-творческий центр «Архстройнаука»

Г.С. Славчева

ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН:

СТРУКТУРА И СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Воронеж 2009

УДК 666.97 ББК Н331.7 С47

Рецензенты:

С.В. Федосов, чл.-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой строительного материаловедения и специальных технологий Ивановского государственного архитектурно-строительного университета; Ш.М. Рахимбаев, д-р техн. наук, профессор кафедры материаловедения,

изделий и конструкций Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Славчева, Г.С.

Поризованный бетон: структура и строительно- С47 технологические свойства Текст : монография / Г.С. Слав-

чева ; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2009. - 136 с.

ISBN 978-5-89040-244-8

Представлены результаты исследований строительно-технических свойств поризованных бетонов, охарактеризована их взаимосвязь с параметрами структуры. Особое внимание уделено закономерностям реализации комплекса свойств при влажностных воздействиях эксплуатационной среды.

Рассмотрены вопросы конструирования структур поризованных бетонов с задаваемыми свойствами. Приведены основные положения технологии цементных поризованных бетонов.

Предназначена для специалистов в области материаловедения и технологии строительства, научных работников, преподавателей, аспирантов, студентов.

Ил. 31. Табл. 32. Библиограф.: 80 назв.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………… 4

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………… 6

1.ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН - МАТЕРИАЛ ДЛЯ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ…………………………………………………… 8

1.1.Поризованный бетон как разновидность макропористых бетонов………………………………………………………….. 8

1.2.Перспективы применения поризованного бетона в современном строительстве…………………………………. 13

2.ПРОБЛЕМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СВОЙСТВ

2.2.Механизм влияния влажностного состояния на проявление конструкционных свойств композиционных строительных материалов …………………………………………………….. 25

2.3.Закономерности изменения влажностного состояния це-

2.4.Влияние температурно-влажностного состояния поризованного бетона на его прочностные характеристики…………….. 45

2.5.1.Процессы изменения состояния, структуры и

2.5.2.Влияние параметров структуры поризованных ……..

2.6.Температурно-влажностные деформации и морозостойкость поризованных бетонов…………………………………………. 89

3.КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРУКТУР ЦЕМЕНТНЫХ ПОРИЗОВАННЫХ БЕТОНОВ

С ЗАДАВАЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ………………………………………... 100

3.1.Постановка задачи конструирования…………………………. 100

3.2.Алгоритмы конструирования структур цементных

поризованных бетонов………………………………………… 107

4.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТНЫХ ПОРИЗОВАННЫХ

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Социально-экономические процессы последних двух десятилетий, про-

ходившие в нашей стране, самым коренным образом затронули архитектур- но-строительный комплекс. На смену решениям, считавшимся до того ра-

циональными, стали приходить новые. Объективно были поставлены под сомнение эффективность и конкурентоспособность многих конструктивных систем зданий, материалов и технологий, длительное время применявшихся в отечественной практике. Получили развитие системы монолитных и сборно-

монолитных зданий, в связи с чем потребовалась разработка новых строительных технологий и адаптированных к ним материалов нового поколения.

Внедрение новых решений применительно к задачам монолитного строительства призвано было обеспечить высокий уровень индустриальности и, одновременно с этим, существенно упростить инфраструктуру строительного производства. В значительной мере ключевым здесь оказался вопрос конструкционно-теплоизоляционного стенового материала, который должен был отвечать критериям не только функциональности и теплоэффектвности,

но также высокой технологичности, малой ресурсоемкости, необходимой долговечности. Именно поэтому на повестку дня выдвинулись макропорис-

тые бетоны нормального твердения – пенобетоны и поризованные бетоны. Специалисты Воронежского государственного архитектурно-

строительного университета (ВГАСУ), имея значительный опыт в разработке и промышленном внедрении автоклавного силикатного ячеистого бетона и определенный задел в исследованиях неавтоклавного цементного поризованного бетона, включились в работу по созданию такого материала для моно-

литного строительства в начале 90-х годов. В процессе реализации этого нового этапа исследований был выполнен необходимый комплекс работ, в рамках которого рассмотрены научные и прикладные вопросы материаловедения и технологии мелко- и микрозернистых плотных и поризованных бетонов, в результа-

те чего решена задача получения материала средней плотности 800-1800 кг/м3 на основе разнообразного природного и техногенного сырья; изучены конструкци-

онные и конструкционно-теплоизоляционные разновидности бетонов с комплексом задаваемых строительно-технических свойств для монолитных строительных конструкций функционального различного назначения; разработаны вопросы построечной технологии бетонирования монолитных конст-

рукций из поризованного бетона, реализованные в виде мобильной строи-

4

тельно-технологической системы «Монопор» по возведению монолитных зданий из поризованных бетонов. Возможность реализации получения бетона на мобильных установках без необходимости иметь сложную производст-

венную инфраструктуру технологического процесса предопределяет перспективность применения цементного поризованного бетона в монолитном строительстве.

На основе осуществляемых исследований и разработок может быть ор-

ганизовано получение поризованного бетона для применения в качестве материала для ограждающих конструкций зданий, а в малоэтажном строитель-

стве – для всех конструктивных элементов. И именно малоэтажное строительство оказывается той нишей в строительном комплексе, где разработан-

ная технология представляется наиболее эффективной, способной внести положительный вклад в обеспечение условий для развития регионального рын-

ка доступного жилья.

Вместе с этим широкое внедрение данных бетонов в строительную практику сдерживается недостаточной проработанностью вопросов меры изменения и сохранности расчетно-нормируемых характеристик поризованного бетона при эксплуатации. В исследованиях многих авторов технологий пенобетонов и поробетонов нормального твердения остаются в тени такие свойст-

ва, как эксплуатационная усадка и трещиностойкость. Между тем, в условиях монолитного строительства определяющим, «критическим» свойством мате-

риала, можно сказать, камнем преткновения, выступает именно трещиностойкость, определяемая его эксплуатационной деформируемостью. Этими пока-

зателями закладывается работоспособность материала и долговечность конструкций из него. Именно поэтому в ходе комплексных исследований про-

блем материаловедения и технологии поризованных бетонов особое место отводилось проблемам, связанным с реализацией их конструкционных свойств при эксплуатации. Содержание монографии Г.С. Славчевой и посвящено указанным актуальным проблемам.

5

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность внедрения в современную строительную практику поризо-

ванных бетонов требует специального внимания к вопросам их поведения при эксплуатационных воздействиях, к их долговечности.

При решении вопросов управления технологией строительных материалов требуется исходить из условий обеспечения строительно-технических свойств не только на момент изготовления, но и на протяжении всего периода эксплуатации. Другими словами, существует проблема сохранности и реализа-

ции того уровня конструкционных свойств материала, который был достигнут на технологической стадии жизненного цикла материала.

Изменение свойств – неизбежный и закономерный процесс, так как в результате эксплуатационных процессов в материале происходит преобразование его состава, структуры и состояния (термодинамического, напряженного, влажностного и др.). Именно поэтому при оценке поведения материала его состав,

структура, состояние и свойства должны рассматриваться изменяющимися во времени.

Реализация потенциала свойств строительных материалов, используемых в конструкциях, определяется динамикой и глубиной процессов, последствиями изменения их состояния при эксплуатации, то есть зависит, главным образом, от интенсивности их взаимодействия с эксплуатационной средой. Материал должен сниматься с технологической обработки и направляться на эксплуатацию с таким исходным состоянием структуры, при котором изменение его функциональных показателей за период эксплуатации не будет выходить за пределы, соответствующие требованиям надежной службы в строительной кон-

струкции.

В связи с указанным конструирование структур и получение материала должно не только обеспечивать требуемый уровень его свойств на момент изготовления, но и предопределять допустимую меру их изменения в условиях действия комплекса эксплуатационных факторов. Среди этих факторов для данной группы бетонов с развитой пористостью и цементирующим веществом,

сформировавшимся в условиях нормального твердения, критическими оказываются влажностные воздействия. Именно с ними связаны такие свойства и ха-

рактеристики, определяющие долговечность макропористыхбетонов, как усадка и морозостойкость, зависящие от параметров состояния структуры и соответствую-

щейинтенсивностипроцессов влагообмена сосредой.

6

Таким образом, актуальными оказываются вопросы, связанные с реализа-

цией строительно-технических свойств цементных поризованных бетонов в условиях изменения их влажностного состояния при эксплуатации. Рассмотрению данных вопросов в монографии уделено основное внимание и посвящено ее содержание.

В монографии представлены обобщенные материалы исследований, отражающие научную концепцию и экспериментальные результаты, раскры-

вающие вопросы реализации всего комплекса свойств цементных поризованных бетонов при изменении их влажностного состояния. В результате раскрываются количественные зависимости взаимосвязи меры изменения и реализации в различном влажностном состоянии основных свойств (прочно-

сти, величины деформаций, морозостойкости) цементных поризованных бетонов с характеристиками их твердой фазы и порового пространства. С ис-

пользованием полученных зависимостей осуществлено в монографии решение задачи конструирования конструкционного и конструкционно-

теплоизоляционного цементного поризованного бетона с задаваемыми свойствами; предлагается система рецептурно-технологических факторов полу-

чения материала на различных видах природного и техногенного сырья.

По результатам комплексной оценки строительно-технических свойств показано, что посредством регулирования строения цементных поризованных бетонов средней плотности 800÷1600 кг/м3 удается варьировать в широ-

ком диапазоне свойства, связанные с изменением влагосодержания и определяющие его долговечность - усадку, ползучесть, морозостойкость. Предло-

жены структуры бетонов, свойства которых отвечают нормативным требованиям. Следует подчеркнуть, что рекомендованные разновидности поризо-

ванных бетонов, получаемые в условиях естественного твердения, характеризуются величиной усадки не более 1 мм/м при обезвоживании от началь-

ного технологического до равновесного эксплуатационного влагосодержания. И это открывает им путь для использования в строительстве, так как именно эксплуатационная деформируемость и связанная с ней трещиностойкость в основном и определяют работоспособность неавтоклавных макропо-

ристых бетонов в строительных конструкциях.

Автор выражает признательность академику РААСН, доктору техниче-

ских наук, профессору Е.М. Чернышову за научные консультации при подготовке монографии; а также коллегам за сотрудничество в ходе комплексных ис-

следований проблем материаловедения и технологии поризованных бетонов.

7

1. ПОРИЗОВАННЫЙ БЕТОН - МАТЕРИАЛ ДЛЯ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Поризованный бетон как разновидность макропористых бетонов

Всовременной номенклатуре бетонов с регулируемой плотностью класс макропористых бетонов отличается сегодня большим числом разновидностей:

по виду вяжущего (цементные, силикатные, на смешанных вяжущих);

по способу формирования макропористой структуры (пенобетоны, га-

зобетоны, аэрированные бетоны, поризованные бетоны);

по условиям организации процессов твердения (естественного тверде-

ния и твердеющих с применением тепловой обработки автоклавной и неавтоклавной);

по применению (от конструкционных до теплоизоляционных).

Впоследние два десятилетия внимание строителей привлекает новая перспективная разновидность макропористых бетонов, которую в рамках

сложившейся классификации можно определить как цементные поризован-

ные бетоны, получаемые воздухововлечением при перемешивании бетонной смеси и твердеющие без применения автоклавной обработки.

Развитие науки и практики макропористых (ячеистых) бетонов условно можно разделить на 4 этапа.

Первый этап охватывает 20 – 30-е годы двадцатого столетия, когда после изобретения материала накапливался первый опыт его практического применения. Был получен и внедрен в строительную практику цементный пенобетон естественного твердения средней плотности 400-500 кг/м3 (работы А.А. Брюшкова, Б.Н.Кауфмана, Н.А. Попова, В.В. Ризоватова); также были сделаны первые шаги по получению конструкционного пенобетона

(И.Т. Кудряшов, Н.Н. Лессинг). Однако из-за малой прочности и высокой усадочности пенобетоны в этот период не нашли сколько-нибудь широкого применения.

Второй этап относится к 50 – 60-м годам двадцатого столетия, когда были получены новые разновидности ячеистых бетонов и накоплен промышленный опыт их изготовления и эксплуатации. Данный этап материа-

ловедения и технологии макропористых бетонов характеризуется параллель-

8

ным развитием исследований автоклавных силикатных и неавтоклавных це-

ментных бетонов. Комплексные исследования, выполненные в вузах и отраслевых НИИ, позволили получить с использованием широкой гаммы сырья материалы с удовлетворительными физико-механическими свойствами. Были заложены основы управления структурой и свойствами этих бетонов (ра-

боты А.Т. Баранова 1 , Г.А. Бужевича 2 , П.И. Боженова 3 , А.В. Волжен-

ского 4 , М.Я. Кривицкого 5 , И.Т. Кудряшова 6 , Л.М. Розенфельда 7 ,

А.В. Саталкина 8 , М.С. Сатина 9 и др.), накоплен опыт их применения и эксплуатации.

Третий этап (70 – 80-е годы) характеризуется приоритетным развити-

ем научных исследований и началом массового заводского производства автоклавных силикатных и цементных ячеистых бетонов. Причиной приоста-

новки исследований и отказа от производства и применения неавтоклавных газо- и пенобетонов в конце 60-х – начале 70-х годов послужила неразрешен-

ность проблемы их эксплуатационной усадочности и трещиностойкости. Четвертый этап начался в 90-е годы прошлого века, когда в связи с

изменившейся экономической ситуацией вновь возник интерес к макропористым бетонам неавтоклавного твердения. Это было обусловлено следую-

щими причинами:

определенной ориентацией строительной отрасли на возведение мало-

этажных зданий, не только сборных, но и монолитных;

целесообразностью расширения использования местного природного сырья и материалов, утилизации техногенных отходов;

необходимостью радикальных измененийв потреблении энергоресурсов;

необходимостью применения относительно простых технологических решений, не требующих развитой производственной инфраструктры.

Врезультате активного развития исследований (работы А.С. Коломацкого, Е.В. Королева, В.С. Лесовика, Л.В. Моргун, Ю.В. Пухаренко, Г.П. Са-

харова, Е.С. Силаенкова Ш.М. Рахимбаева, Л.Д. Шаховой.,. В.И. Удачкина,

И.Б. Удачкина, Т.А. Уховой, В.Н. Ярмаковского 10-25 и др.) были получе-

ны новые модификации (новое поколение) цементных макропористых бето-

нов неавтоклавного твердения с удовлетворительным уровнем качества. Вследствие чего они начали занимать свою нишу в строительном комплексе.

Право же отнесения и принадлежность разрабатываемых и применяемых модификаций макропористых бетонов к новому поколению определяется сле-

дующими положениями:

9

1)это новая модификация известного материала (цементного пенобетона)

с более широкой областью применения (в том числе в монолитном строительстве);

2)это материал с новыми или нетрадиционными технологическими решениями его производства (способы подготовки сырья, поризации,

формования, организации процессов твердения и т.д.).

Коллективом ученых и специалистов ВГАСУ (Л.А. Астафьевой, А.В. Кры-

ловой, В.А. Коноплиным, Д.Н. Коротких, А.И. Макеевым, М.В. Новиковым, Н.Д.

Потамошневой, Г.С. Славчевой, В.В. Яковлевым 26, 27 ) под руководством Е.М. Чернышова решена научно-инженерная задача получения цементных поризованных бетонов нормального твердения на основе применения синтетиче-

ских ПАВ воздухововлекающего действия с использованием различных видов природного и техногенного сырья. Поскольку при получении поризованных бетонов воздухововлечением при перемешивании в присутствии добавок ПАВ не предъявляется специальных требований к химическому составу компонентов сырьевой смеси, то изготовление поризованных бетонов возможно с применением различных видов заполнителей и наполнителей. Ис-

пользование их для получения бетонов задаваемой средней плотности с нормируемыми прочностными и деформативными характеристиками главным образом определяется дисперсностью (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика видов и свойств цементных поризованных бетонов

10