Легкие бетоны на пористых заполнителях

Для приготовления легких бетонов преимущественно применяют минеральные вяжущие. В качестве заполнителей для легких бетонов используют искусственные и природные пористые заполнители, технические свойства которых удовлетворяют требованиям соответствующих стандартов. К искусственным относятся заполнители, спе­циально изготовленные и полученные при обработке твер­дых отходов промышленности: керамзит, аглопорит, шунгизит, вспученный перлит, трепельный гравий и т.п. Из отходов промышленности получают шлаковую пемзу, зольный и глинозолъный гравий, песок и щебень из топ­ливных шлаков и т. п.

К группе природных пористых заполнителей относятся заполнители вулканического (природные пемзы, вулкани­ческие туфы) пли осадочного (пористые извест­няки, известняки-ракушечники, доломиты и др.) происхождения.

В зависимости от вида использованного крупного пористого заполнителя легкие бетоны подразделяют­ся на керамзитобетоны, шунгизитобетоны, шлакопенобе-тоны, шлакобетоны, пемзобетоны, туфобетоны и т. п.

По структуре различают легкие бетоны, плотные, поризованные и крупнопористые (беспесчаные).

По области применения легкие бетоны под­разделяются на теплоизоляционные, конструкционно-теп­лоизоляционные и конструкционные.

Теплоизоляционные бетоны (например, на базе вспученного перлита или вермикулита) предназначены для изоляции слоистых поверхностей ограждающих строи­тельных конструкций, трубопроводов и тепловых агрега­тов. Эти бетоны имеют объемную массу не более 500 кг/м³, теплопроводность при 25° С не более 0,15 ккал/ (м.ч.⁰С) и прочность при сжатии до 10 кгс/см² (1 МПа). Конструкционно-теплоизоляционные бетоны при­меняют для изготовления сплошных ограждающие строительных конструкций в виде наружных стеновых панелей, крупных блоков, плит покрытий зданий и т.д. Их объемная масса зависит от вида использованного крупнопористого заполнителя. У перлитобетона объем­ная масса не превышает 1200 кг/м³, у керамзитобетона— 1400 кг/м³, а при применении других щебневидных пористых заполнителей – 1500 кг/м³. Теплопроводность конструкционно-теплоизоляционных бетонов не превы­шает 0,5 ккал/(м.ч. °С) [0,58 Вт/(м. °С)], а их марка по прочности M15Q. Легкие бетоны низких марок (до марки М50 включительно) применяют для изготовле­ния стеновых камней и монолитных стен малоэтажных зданий, возводимых в опалубке наместе работы.

Конструкционные легкие бетоны используют для изго­товления несущих конструкций (плит, перекрытий, ферм, колонн, балок и т. п.), где марка бетона на прочность должна быть не менее Ml50. Предельная их марка М500, объемная масса таких бетонов составляет 1600—1800 кг/м³. Как правило, они изготовляются на плотном песке и имеют плотную структуру. Требования по теплопровод­ности к ним не предъявляют.

Из перечисленных легких бетонов в современном строительстве наибольшее применение получил керамзитобетон, который весьма эффективен в ограждающих конструкциях.

Требования к легким бетонам определяются условия­ми их службы в зданиях и сооружениях; при этом во всех случаях они должны иметь требуемые показатели по объемной массе и прочности. К теплоизоляционным легким- бетонам предъявляются также требования по структуре, теплопроводности, сжимаемости и влажности. Конструкционно-теплоизоляционные бетоны должны до­полнительно иметь заданные морозостойкость, плотность, водопоглощение, теплопроводность и влажность, К кон­струкционным бетонам предъявляются требования по морозостойкости, плотности, защитным свойствам по отношению к арматуре, а также по деформативным свойствам (по начальному модулю упругости, ползучести и т. п.). В ряде случаев к легким бетонам различного назначения могут предъявляться дополнительные тех­нические требования (по непродуваемости, водонепро­ницаемости и т. п.).

Подбор состава легкого бетона на пористых запол­нителях основывается на тех же принципах, которые используются при подборе состава тяжелого бетона на плотном гравии или на щебне расчетно-экспериментальным способом. Специфика заключается в том, что сле­дует учитывать свойства примененных пористых запол­нителей (меньшая прочность зерен, поглощение ими воды затворения из растворной части, особенность кон­тактной зоны и т. д.). Кроме того, при подборе состава легкого бетона дополнительно задается его объемная масса, которая в зависимости от различных факторов может колебаться в больших пределах.

Объемную массу высушенного до постоянной массы легкого бетона определчют по формуле:

ρ = (1 + 0,23 α) Ц + П+ Ш+ Д,

где ρ - объемная масса легкого бетона, кг/м³; Ц — расход цемента, кг/м³; 0,23 - коэффициент, учитывающий массу связанной воды; П, Щ, Д — расходы песка, крупного пористого заполнителя и доба­вок, кг/м³; α - степень гидратации цемента.

Из приведенной формулы вытекает, что для сниже­ния объемной массы легкого бетона необходимо, по воз­можности, снижать расход вяжущего и применять более легкие заполнители или же уменьшать расход наиболее тяжелых разновидностей заполнителей.

Прочность при сжатии легкого бетона в основном за­висит от прочности и расхода растворной составляю­щей и крупного пористого заполнителя, а также от сцеп­ления этих составляющих в зонах контакта. В частности, при прочих равных условиях, например при одинаковой прочности цементного раствора и объемной концентрации керамзита φ, прочность керамзитобетона повышает­ся до определенного предела пропорционально прочнос­ти керамзитового гравия, определяемой методом сжатия в цилиндре по стандарту.

Прочность керамзитобетона на одном и том же ке­рамзите при постоянной его концентрации φ с повыше­нием прочности раствора увеличивается по логарифми­ческому закону (рис. 44) до тех пор, пока не достигнет предельного значения. Следовательно, для керамзита определенного качества при постоянном его расходе су­ществует оптимальная прочность раствора, соответству­ющая максимально возможной прочности керамзитобе­тона.

Рис. 44. Номограмма для определения прочности керамзитобетона плотной структуры при φ-0,5 по известным значениям прочности керамзита и раствора.

Расходы цемента в зависимости от заданной марки легкого бетона, его структуры, а также от марки по прочности зерен крупного пористого заполнителя обыч­но приводятся в соответствующих таблицах. В табли­цах указывают также расходы воды затворения в зависимости от заданной подвижности (жесткости) легко-бетонной смеси, вида примененных заполнителей и заданной структуры легкого бетона.

Выбрав требуемые расходы цемента и воды, вычис­ляют расходы песка и крупного пористого заполнителя. Вычисленный состав легкобетонной смеси является ис­ходным. После этого приготовляют данный замес и не­сколько подобных, отличающихся от исходного на 15-20% расходом щебня и заполнителей, и изготовляют контрольные бетонные кубы. По результатам испыта­ния этих кубов находят оптимальный состав легкого бетона, который уточняют в производственных усло­виях.

Как известно, теплопроводность материала, в том числе и легкого бетона, зависит от влажности. Равно­весная с окружающей средой влажность бетона тем ниже, чем меньше начальное его влагосодержание. По­этому при проектировании состава легкого бетона сле­дует исходить из минимального содержания воды в за­месе при условии, что бетонная смесь будет обладать требуемой удобоукладываемостъю.

Основные изделия, которые сейчас выпускаются из легких бетонов, это наружные стеновые панели. Одним из важнейших требований, предъявляемых к стеновым панелям из легкого бетона, является достаточная плот­ность, обеспечивающая их непродуваемость и влагонепроницаемость.

Ячеистые бетоны

Ячеистыми называют высокопористые искусственные каменные материалы с равномерно распределенными порами в виде ячеек диаметром 1-2 мм.

а) Классификация бетонов

По способу получения пористой структуры ячеистые бетоны подразделяются на пено- и газобе­тоны. В пенобетонах замкнутые поры образуются в ре­зультате смешивания цементного теста или растворной смеси с устойчивой пеной; в газобетонах пористую структуру получают вспучиванием цементного теста или раствора газами — продуктами реакций, вызыва­емых специально вводимыми в смесь добавками - газообразователями.

По назначению ячеистые бетоны разделяют на теплоизоляционные с объемной массой в высушен­ном состоянии менее 500 кг/м³, конструктивно-теплоизо­ляционные с объемной массой от 500 до 900 кг/м³ и конструктивные с объемной массой от 900 до 1200 кг/м³.

По виду применяемого вяжущего различают га­зобетоны и пенобетоны на портландцементе, цементноизвестковом и известково-нефелиновом вяжущем; газо-силикаты и пеносиликаты на воздушной извести; газошлакобетоны и пеношлакобетоны, получаемые с применением доменных шлаков с активизирующими до­бавками (извести и гипса).

По условиям твердения ячеистые бетоны под­разделяются на бетоны естественного и автоклавного твердения. В строительстве наиболее широко применя­ют более прочные и долговечные автоклавные ячеистые бетоны.

б) Получение автоклавных ячеистых бетонов

Для получения автоклавных бетонов используют вя­жущее (цемент, известь и др.), кремнеземистые компо­ненты, порообразователи и воду. В качестве кремнезе­мистых компонентов берут молотый кварцевый песок или золу-унос ТЭЦ.

Процесс получения изделий из пенобетона склады­вается из следующих операций: приготовление устойчи­вой пены, приготовление раствора, совместное переме­шивание пены и раствора, заливка пенобетонной смеси в формы, выдерживание пенобетонной смеси в формах, твердение изделий из пенобетона в автоклавах, охлаж­дение и распалубка изделий, отделка изделий.

Устойчивая пена приготовляется в пеновзбивателях путем перемешивания пенообразователя с водой. В ка­честве пенообразователей применяют водные растворы сапонина (вытяжка из растительного мыльного корня) пли водные клееканифольные растворы, приготовляемые из канифоли, омыленной щелочью, и животного клея, а также препарат ГК (гидролизованная кровь).

Раствор, состоящий из вяжущего, кремнеземистого компонента и воды, готовят в смесителе, куда затем по­дают приготовленную пену, и смесь перемешивают не менее 2 мин. Пенобетонную смесь заливают в металли­ческие формы, куда в случае изготовления армирован­ных изделий предварительно устанавливают закладные детали и арматурные каркасы.

При твердении пенобетона в автоклавах под давле­нием пара 8—12 атм (избыточных) гидрат окиси каль­ция Са(ОН}₂ химически взаимодействует с кремнеземом Si0₂, входящим в состав кремнеземистого компонента. При этом образуются низкоосновные гндросиликаты кальция, в частности тоберморит 5СаО • 6SiO₂ • 5Н₂О (C₅S₆H₅) и ксонотлит С₆5₆Н. Эти гидросиликаты харак­теризуются высокой прочностью, чем и объясняется по­вышенная прочность ячеистых материалов автоклавного твердения в сравнении с прочностью тех же бетонов ес­тественного твердения или пропаренных при нормаль­ном давлении и температуре до 100°С.

Процесс получения газобетона аналогичен процессу получения пенобетона. Различие в технологии заключа­ется в следующем: в газобетономешалку вначале зали­вают воду, затем при включенном перемешивающем ме­ханизме подают вяжущее и кремнеземистый компонент. После перемешивания в течение 2-3 мин в газобетоно­мешалку вводят газообразователь — алюминиевый по­рошок в виде водно-алюминиевой суспензии. Сразу же после окончания перемешивания газобетонную смесь выгружают в формы, в которых и происходит процесс вспучивания вследствие выделения водорода, образую­щегося по реакции

2Al+3Ca(OH)₂+6H₂O=3CaO•Al₂O₃•6H₂O+3H₂

В качестве газообразователя при получении газобетона применяют также пергидроль–водный раствор технической перекиси водорода H₂O. Это нестойкое соединение разлагается в щелочной среде с выделением кислорода по реакции:

2H₂O₂=2H₂O+O₂

Твердение ячеистых бетоноа происходит в формах в автоклавах.

в) Свойства и применение ячеистых бетонов

Согласно СНиП II-21-75, ячеистые бетоны по проч­ности делятся на следующие марки: М15, М25, М50, M75, М100, М150.

По ГОСТ 12852-67 за марку (контрольную харак­теристику) ячеистых бетонов принимают предел проч­ности при сжатии образцов-цилиндров диаметром и вы­сотой 100 мм или образцов-кубов с длиной ребер 100 мм в абсолютно сухом состоянии.

Средняя плотность ячеистого бетона в высушенном состоянии должна соответствовать марке и не превышать значений, приведенных ниже.

Ячеистые бетоны характеризуются хорошими звуко­изоляционными свойствами и легко обрабатываются.

Высокая пористость ячеистых бетонов определяет их низкую теплопроводность λ: она составляет 0,07-0,25 ккал/(м.ч. °С) [0,08-0,29 Вт/(м. °С)]. Из теплоизоля­ционного ячеистого бетона изготовляют плиты, скорлупы и сегменты для теплоизоляции труб, камни-вкладыши для стен и перекрытий, плиты для перегородок и наруж­ных стен и др.