2.9. Легкие бетоны

Легкие бетоны условно делят: по назначению на конструкционные, имеющие марки по объемной массе (ее верхний предел в кг/м³) от D1000 до D2000; конструкционно-теплоизоляционные (D600; D700; D800; D900); теплоизоляционные (D200; D300; D350; D400; D500); по способу образования пор на: 1) бетоны на пористых заполнителях; 2) беспесчаные; 3) ячеистые (газобетон и пенобетон).

2.9.1. Бетоны на пористых заполнителях изготавливают с учетом способности легких заполнителей всплывать на поверхность бетонной смеси и поглощать воду. Малый вес заполнителей затрудняет использование гравитационных бетоносмесителей и требует применения смесителей принудительного действия. В уложенной бетонной смеси, особенно при ее вибрировании, легкие зерна заполнителей перемещаются вверх, приводя к расслоению, отличному от того, которое наблюдается в тяжелых смесях, где заполнители стремятся опуститься вниз. Отсасывание пористым заполнителем воды из растворной части приводит к равномерному по объему самоуплотнению бетона. Это позволяет производить распалубку бетона вскоре после укладки и повышает оборачиваемость формооснастки.

Природные пористые заполнителиполучают дроблением и сортировкой пористых горных пород. К пористым породам вулканического происхождения относятся: пемза — застывшая вспененная лава; вулканический туф — результат спекания раскаленных пепла и песка; туфовая лава — вспененная лава с вкраплениями частиц вулканического пепла, песка, пем­зы и др. Из осадочных пород можно назвать из­вестковый туф и известняк-ракушечник.

Искусственные пористые заполнители получают путем вспенивания расплавов или вспучивания при нагревании до пиропластического состояния твердых материалов, обладающих способностью давать пористые структуры. Керамзитовый гравий получают обычно во вращающейся печи быстрым нагреванием отформованных или дробленых зерен из легкоплавкой глины, которая размягчается при частичном расплавлении и одновременно вспучивается выделяющимися газами. При медленном нагревании газообразование происходит при более низких температурах, когда глина еще не достаточно размягчена, и газы выходят из нее, не вызывая вспучивания. Газы выделяются не из глины, а из других сопутствующих веществ. Газообразование связывают с дегидратацией, декарбонизацией и восстановительными процессами. Керамзитовый гравий подразделяют на три фракции: 5…10, 10…20 и 20…40 мм и характеризуют марками по насыпной объемной массе (в кг/м³) от 250 до 800. Коэффициент теплопроводности керамзита колеблется в пределах от 0,035 до 0,35 Вт/(м·К). Керамзитовый песок получают отсевом мелких зерен от керамзитового гравия или его дробле­нием. Шунгизитовый гравий — материал получаемый вспучиванием зерен из шунгитосодержащих пород путем обжига во вращающейся печи. Шунгит — минерал (аморфная разновидность графита), образовавшийся, как полагают, в результате природного коксования углей (воздействия на каменные угли высокой температуры от магмы). Безобжиговый зольный гравий – пористый заполнитель, получаемый на основе золошлаковых отходов (остатков от сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях) и портландцемента или других вяжущих веществ. Термолит получают обжигом до спекания кремнистых дисперсных пород (трепела, диатомита и др.). Пористость термолита является межзерновой, а не образованной вспучиванием, как в случае других пористых заполнителей. Аглопорит получают термической обработкой смеси глинистых пород, золошлаковых отходов и измельченного угля (8…10 %), выгорание которого обеспечивает два процесса: поробразование и разогрев шихты до температуры спекания. Шлаковая пемза (термозит) – пористый щебень и песок, получаемый главным образом из доменного шлака (побочного продукта при выплавке чугуна). Вспененный шлак образуется при быстром охлаждении шлакового расплава водой, однако, не таком быстром, как при производстве гранулированного шлака. Перлит вспученный – особо легкий материал (γ_о=100…500 кг/м³) в виде песка или щебня, получаемый быстрым обжигом кислых вулканических водосодержащих стекол, таких, как перлит, обсидиан, витрофир и др. Вспучивание этих пород при нагревании до 900…1150 °С происходит за счет испарения растворенной в стекле воды, и одновременного размягчения породы. Вермикулит вспученный – особо легкий материал (γ_о=80…400 кг/м³), получаемый при 600…900 °С в виде гранул, вспученных поперек пластинок слюды-вермикулита паром выделяющейся гидратной воды.

Подвижность легкобетонной смеси обычно весьма низка из-за ноздревато-пористой поверхности заполнителей, иммобилизующей значительное количество цементного теста. Поэтому получить подвижную легкобетонную смесь можно лишь при больших расходах вяжущего, когда прослойки теста между зернами заполнителей являются достаточно толстыми. При этом часть теста расходуется на заполнение межзерновых пустот и не выполняет смазочную функцию. Для экономии вяжущего и снижения объемной массы легкого бетона решающее значение имеет уменьшение межзерновой пустотности и удельной поверхности заполнителей. Первое достигается подбором оптимального зернового состава, второе – применением заполнителей окатанной формы с гладкой (оплавленной) поверхностью, например керамзитового гравия. Вместе с тем, прочность сцепления заполнителя с цементирующим камнем по гладкой поверхности будет ниже, чем по шероховатой.

Главные показатели качества легких бетонов – объемная масса и прочность. Объемную массу желательно иметь как можно меньше, а прочность – как можно выше. Оба эти свойства изменяются с пористостью противоположным образом. В отличие от обычного, прочность легкого бетона зависит не только от качества цементирующего камня, определяемого значением В/Ц, но и от его количества, с увеличением которого прочность возрастает. Одновременно растет и объемная масса, но относительно медленнее, так, что удельная прочность (отношение прочности к объемной массе и R/γ_б) с увеличением расхода вяжущего вещества возрастает. Зависимости прочности и объемной массы от расхода воды (В) характеризуются наличием максимума при одном и том же значении В₁, которое является оптимальным (рис. 2.17). Увеличение В сверх В₁ приводит как и для обычного бетона к снижению прочности, связанному с разжижением цементного теста, и недостаточному самоуплотнению геля. При уменьшении расхода воды ниже оптимального значения снижается удобоукладываемость смеси и потеря прочности вызывается механическим недоуплотнением. Если увеличить мощность уплотнения, то при том же расходе воды В₁ прочность возрастает, но теперь значение В₁ уже не является оптимальным и при В<В₁ можно получить дальнейшее повышение прочности и достижение нового максимума при В₂. Таким образом, оптимальный расход воды не является для данной бетонной смеси постоянной величиной, а зависит от интенсивности ее уплотнения.

2.9.2. Беспесчанный (крупнопористый) бетон состоит из крупных зерен заполнителя, скрепленных в местах контакта цементным камнем. При отсутствии мелких зерен и малом расходе цемента (70…150 кг/м³) пустоты между зернами остаются незаполненными. Суммарный объем этих пустот будет наибольшим при одинаковом диаметре зерен заполнителя. Объемная масса крупнопористого бетона на плотных заполнителях составляет 1700…1900 кг/м³. Это значение можно резко снизить, применяя пористые заполнители. Беспесчанный бетон продуваем, поэтому стены из него нужно оштукатуривать с двух сторон.

2.9.3. Ячеистые бетоны в зависимости от способа образования пор подразделяются на газобетоны и пенобетоны. При использовании в качестве вяжущего воздушной извести в условиях гидросиликатного твердения (автоклавной обработки) ячеистый бетон называют газосиликатом или пеносиликатом, т. к. цементирующий камень в этом случае состоит в основном из гидросиликатов кальция.

Газобетон приготовляют из смеси портландцемента (часто с добавкой воздушной извести или едкого натра, для ускорения газообразования), тонкомолотого наполнителя (кварцевого песка, доменного шлака, золы-унос, нефелинового шлама и др.), воды и газообразователя, в качестве которого чаще всего применяется алюминиевая пудра. При реакции алюминиевой пудры с гидроксидом кальция выделяется водород, который вспенивает массу:

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

Наполнитель снижает расход вяжущего и усадку бетона. Измельчение повышает его химическую активность. В газобетоне соотношение цемента и молотого песка обычно бывает от 1:2 до 1:3. Расход цемента составляет 180…220 кг/м³. В газосиликате соотношение извести и молотого песка – от 1:3 до 1:5. Расход извести 120…180 кг/м³.

Кварцевый песок обычно размалывают мокрым способом и применяют в виде шлама. Компоненты дозируют, подают в газобетоносмеситель и перемешивают 4…5 минут; затем добавляют водную суспензию алюминиевой пудры и после дополнительного перемешивания смесь заливают в формы, оставляя часть объема на вспучивание массы. Для ускорения процессов газообразования, схватывания и твердения смесь затворяют горячей водой (температура смеси при заливке в форму – около 40 ^оС). Через 10…20 минут после заливки в форму газобетонная смесь начинает твердеть. Конец газовыделения должен совпадать с началом схватывания смеси. В противном случае происходит либо оседание смеси, либо растрескивание блока. Сроки газовыделения регулируют количеством газообразователя, а сроки схватывания – добавками, ускоряющими или замедляющими схватывания. В России разработана технология приготовления смеси вибрированием в смесителе и в форме после заливки. Тиксотропное разжижение смеси при вибрировании позволяет уменьшить количество воды затворения на 25…30 %. Вибрирование ускоряет гидратацию вяжущего, сокращает сроки газовыделения и вызревания изделий до автоклавной обработки. При резательной технологии отформованные блоки, объемом до 10…12 м³ через 0,5…1,5 ч освобождают от бортоснастки и разрезают на плиты или стеновые камни стальными струнами. Выпуклую верхушку блока (горбушку) срезают и размалывают в шаровой мельнице вместе с наполнителем. Тепловую обработку газобетона чаще всего производят в автоклавах при 175…200 ^оС и давлении 0,8…1,3 МПа. Автоклавная обработка обеспечивает протекание реакции между кремнеземом кварцевого песка и гидроксидом кальция, образующимся при гидратации портландцемента, поэтому часть портландцемента можно заменить молотым кварцевым песком, который становится активным компонентом вяжущего. При этом расход цемента сокращается в 1,5…2 раза, а прочность газобетона в возрасте 2 суток в 3…5 раз превышает прочность газобетона, твердевшего 28 суток в нормальных условиях.

Пенобетон. Процесс получения пенобетона отличается от газобетонного тем, что ячейки образуются при добавлении к бетонной смеси заранее приготовленной стабильной пены. Пену готовят из воды и пенообразователя (клееканифольного, смолосапонинового, алюмосульфо-нафтенового или синтетического) в лопастных пеновзбивателях или центробежных насосах. Для того чтобы пена не оседала в нее вводят стабилизаторы – вещества, повышающие вязкость раствора пенообразователя (животный клей, жидкое стекло или сернокислое железо). Пену смешивают с бетонной смесью. После получения однородной массы ее переносят в формы для отвердевания. Пенобетонная технология по сравнению с газобетонной требует большей выдержки перед тепловой обработкой для набора начальной прочности. Для сокращения времени выдержки в смесь добавляют хлористый кальций, поташ и другие ускорители.

Свойства ячеистых бетонов. Связь между некоторыми свойствами ячеистого бетона и объемной массой показана на рис. 2.18. Объемная масса ячеистых бетонов, составляющая от 300 до 1200 кг/м³, целиком обусловлена пористостью, лежащей в пределах, соответственно, от 85 до 60 %. Снижение пористости в этих пределах ведет к увеличению класса по прочности на сжатие от В0,35 до В12,5. От общей пористости и соотношения между объемами замкнутых и открытых пор зависят водопоглощение и морозостойкость, характеризуемая марками: F15, F25, F35, F50, F75, F100.

Чем выше пористость, тем ниже теплопроводность материала λ, которая, однако, может возрасти при заполнении пор водой. Так, например, ячеистый бетон,объемной массой 600 кг/м³ в сухом состоянии имеет λ=0,14, а при влажности 8 % – λ=0,22 Вт/(м∙К). Ячеистые бетоны применяются для легких армированных конструкций, таких, как стеновые панели, плиты перекрытий, а также без арматуры, в качестве стеновых камней и теплоизоляционного материала.