ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ

Широко используемая разновидность бетонов и растворов име­ет своеобразную — ячеистую — структуру макропор, равномерно распределенных в объеме бетона и отделенных друг от друга тонки­ми и достаточно прочными перегородками (мембранами). Средняя плотность таких бетонов в высушенном состоянии колеблется в ши­роких пределах: от 1200 и ниже 500 кг/м³. При средней плотности не более 500 кг/м³ их используют как теплоизоляцию, от 500 до 900 кг/м³ — в качестве конструктивно-теплоизоляционного и от 900 до 1200 кг/м³ — конструкционных материалов, обычно армиро­ванные металлической арматурой.

Другие свойства характеризуются следующими показателями: прочность — 3—15 МПа, морозостойкость — более 25 циклов, теп­лопроводность — 0,08—0,25 Вт/(м∙К), усадка — 0,2—0,6 мм/м. Сте­ны из ячеистых блоков являются наиболее экономически эффектив­ными по сравнению с другими ограждающими конструкциями — железобетонными трехслойными панелями с минеральным утепли­телем, панелями из керамзитобетона, кирпичными стенами и др. Эти стены — однослойные без дополнительного утеплителя, эколо­гически чистые и достаточно комфортные для проживания, особен­но после облицовки их, например, силикатным кирпичом. У яче­истых, как и у поризованных, бетонов цементный камень в результате добавления в свежеприготовляемую массу добарки — порообразователя оказывается насыщенным порами, в основном замкнутыми, ячеистыми. В отличие от поризованных производство ячеистых бетонов сопровождается более выраженным эффектом вспучивания исходной смеси.

Вспучивание любого вяжущего вещества, как неорганического, так и органического, чаще всего достигается под влиянием вводи­мых в смесь добавочных реагентов. В результате взаимодействия ре­агирующих веществ в смеси выделяется газ, например водород или кислород. Кроме химических методов поризация со вспучиванием может проходить механическим путем за счет образования в смеси устойчивой пены. В связи с этим ячеистые бетоны разделяют на га­зобетоны и пенобетоны.

Вместо портландцемента в ячеистом бетоне нередко используют известь, и тогда бетон именуют газосиликатом. При применении шлаковых вяжущих веществ получают газошлакобетон, гипса — га­зогипс, смешанных вяжущих типа ГЦПВ, ГШЦПВ и др. — соответ­ствующие им бетоны.

Газобетон и газосиликат. Преимущественное распространение в строительстве получили газобетоны. В качестве газообразователя используют тонкоизмельченный алюминиевый порошок (алюмини­евую пудру ПАК-31). Вступая в химическую реакцию с гидроксидом кальция, он способствует выделению молекул водорода и соответст­вующей энергии химической связи образования из простых веществ:

3Са(ОН)₂ + 2Аl + 6Н₂О = 3СаО – Al₂О₃∙6Н₂О + 3Н₂.

Выделяемый водород частично теряется при перемешивании ком­понентов газобетона (вяжущего, заполнителей), но большая его часть (до 70—85%), расширяясь, вспучивает цементное тесто. Ячеистое це­ментное тесто затвердевает, образуя высокопористую матричную часть этого конгломератного материала. Крупный заполнитель в нем отсутствует. Чтобы процесс вспучивания протекал интенсивнее, к портландцементу добавляют некоторое количество извести-пушон­ки, примерно 10% его массы. Быстрая укладка смеси в металлические формы приводит к тому, что процесс газообразования происходит в основном в период нахождения смеси в этих формах и продолжается примерно 15—20 мин. Важно, чтобы к моменту завершения процесса выделения водорода бетонная смесь загустела и смогла зафиксиро­вать ячеистую структуру матричной части бетона.

Другим газообразователем вместо алюминиевой пудры может служить пергидроль, т. е. техническая перекись водорода. В щелоч­ной среде цементного теста или цементного раствора пергидроль разлагается с выделением молекул кислорода и соответствующей энергии химической связи: 2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂.

Молекулы кислорода вспучивают цементное тесто или строите­льный раствор в течение 7—10 мин, что позволяет получить газобе­тон средней плотностью до 1200 кг/м³. Исследования показали по­ложительное влияние на образование макроструктуры ячеистых бетонов совместного применения пергидроля и хлорной извести. Повышению однородности распределения пористости способствует кратковременная (до 20 с) обработка компонентов ячеистобетонных смесей в электромагнитном поле, особенно в присутствии магнито-активных добавок, например пиритных огарков, ферросилиция.

Изделия из ячеистого бетона изготовляют по автоклавному и неав­токлавному способам производства. Технология может быть литье­вой при высоких значениях фазового отношения (В/T = 0,45—0,60) или вибрационной, при которой применяют смеси с пониженным фазо­вым отношением (В/Т = 0,30—0,40).

Формы могут быть горизонтальными разборными с запаривани­ем изделий в автоклавах в вертикальном положении, вертикальны­ми в виде кассетных установок. На большинстве заводов в нашей стране нашел распространение литьевой способ технологии с реза­тельной и виброрезательной операцией. Для резательного способа производства характерно формование массива объемом 5—18 м³ с последующим его разрезанием в двух или трех плоскостях, авто­клавной обработкой изделий.

Изготовляют газобетон в такой последовательности. Вяжущее, в качестве которого обычно применяют портландцемент, отвешива­ется на автоматических дозаторах и поступает в смеситель непре­рывного действия. Сюда же загружают кремнеземистый компо­нент — молотый кварцевый песок, в котором содержится не менее 80—85% кремнезема, тонкостью помола более 2000 см²/г, что в 10 раз и более выше удельной поверхности немолотого песка. На не­которых заводах по производству ячеистого бетона вместо молото­го песка применяют маршалит, каракумские барханные пески, зо­лу-унос ТЭС, молотые шлаки и др. При повышенной средней плотности газобетона (свыше 1000 кг/м³) допускается заменять часть молотого песка немолотым. Для регулирования срока схваты­вания цемента иногда в смеситель добавляют двуводный гипс. '

Сухие компоненты перемешивают с водой в течение 2—3 мин, в процессе перемешивания вводят водную суспензию алюминиевой пудры или другого газообразователя, например пергидроль (водный 80%-ный раствор перекиси водорода). Готовую, хорошо перемешанную смесь выгружают из газобетоносмесителя в сталь­ные формы, в которых происходит ее вспучивание при температуре 20—40°С. Формование изделий (плит, блоков и др.) может произво­диться на виброплощадках. Преимущественное распространение при перемешивании и формовании изделий получил способ вибра­ции (вибровспучивание), улучшающий ячеистую структуру газобе­тона и ее однородность. Вибрация позволяет снизить количество воды затворения, ускорить вспучивание и упрочнение по сравнению с безвибрационной, или литьевой, технологией, осуществляемой в неподвижных формах. Особенно эффективна вибрация при введении пластификатора или поверхностно-активных веществ, снижаю­щих реологическое сопротивление смеси. Отечественный способ вибрационного перемешивания прогрессивнее зарубежного литье­вого, так как кроме снижения В/Т позволяет вспучивать сырец за 5—10 мин (вместо 1—2 ч), набирать прочность сырца за 30—60 мин (вместо 120—360 мин); прочность получаемых изделий и их морозо­стойкость на 20—40% выше; уменьшены остаточная влажность и, следовательно, усадка изделий (на 20—30%).

Наибольшее распространение получил способ производства га­зобетона в вертикальных кассетных формах. Кассета имеет ряд раз­делительных вертикальных металлических стенок, установленных друг от друга на расстояниях, определяемых толщиной формуемых панелей. Между каждыми двумя формовочными отсеками размеща­ется тепловой отсек. Для повышения качества и совершенствования технологии изделий из ячеистых бетонов, особенно с невысокой средней плотностью, осуществляют герметизацию формовочного пространства. В результате повышенного давления газа создаются условия для получения более плотных межпоровых перегородок, увеличения прочности газобетона. Кроме того, исключается срезка «горбушки» и увеличивается оборачиваемость кассетных установок, что повышает эффективность производства газобетона.

На завершающей стадии технологического процесса кассетные формы поступают на предавтоклавную выдержку, затем удаляется неровная верхняя часть («горбушка») и массив разрезается на изде­лия заданных размеров с помощью резательной машины. Ножом в ней является натянутая металлическая струна, совершающая воз­вратно-поступательные и вращательные движения, что позволяет разрезать массив в вертикальном и горизонтальном направлениях. Через 30—40 мин, а при вибрационном вспучивании несколько бы­стрее, изделия направляют в автоклавы для тепловлажностной об­работки. Если вяжущим является портландцемент, то дальнейшее твердение изделий возможно и без автоклавов. По физико-химиче­ской сущности отвердевания изделий автоклавирование относится к процессам сложным. Оно производится при постепенном подъеме, изотермической вьщержке и снижении давления пара и температуры среды. Изотермический период при наивысшей температуре 175—200°С составляет примерно 6—8 ч. При этом в основном обра­зуются гидросиликаты кальция, другие соединения, упрочняющие структуру.

После автоклавной обработки изделия транспортируют к складскому помещению, производят проверку размеров и при не­обходимости — фрезерование, отделку поверхности и т. п. Если вяжущим является известь с кремнеземистым компонентом, а полу­чаемый конгломератный материал — газосиликат, то автоклавная обработка изделий строго обязательна. Она может начинаться через 20—30 мин после формования (вместо 30—40 мин при газобе­тоне). Следует отметить, что наибольший объем (около ²/з) произ­водства теплоизоляционных ячеистых бетонов приходится на долю газосиликата.

Расход извести в ячеистых бетонах несколько ниже, чем порт­ландцемента (например, 150—180 вместо 270—300 кг/м³). При при­менении известково-цементного песчаного вяжущего общий расход его возрастает, но расход каждого компонента составляет около 125 кг/м³.

Пенобетон и пеносиликат получают с применением пенообразо­вателей — смолосапонинового, клееканифольного, ГК, алюмосуль-фонафтенового и др. Чтобы техническая пена до затвердевания ее стенок («мембран») не распадалась, в смесь вводят стабилизато­ры — вязкие вещества типа жидкого стекла, животного клея. Основ­ным компонентом смеси, как и в газобетонах и газосиликатах, оста­ются цементное тесто, цементно-песчаная или известково-песчаная растворные смеси. Песок подвергают частичному или полному по­молу, иногда с вяжущим. Пену изготовляют отдельно в пеновзбива-теле и затем перепускают ее в пенобетоносмесительный аппарат; туда же подают растворную смесь. Через 2—3 мин перемешивания готовая пенобетонная смесь поступает в бункер, из которого она разливается в стальные формы. Далее повторяется технологический цикл автоклавирования. Так как вспучивание смеси с пеной завер­шается в основном в смесителе, то форма заполняется полностью, тогда как при газообразователях наполнение форм бетоном было возможным не более чем на половину их высоты.

При проектировании составов газо- и пенобетонов, газо- и пено­силикатов исходят из необходимости получения заданных пределов средней плотности и прочности с соблюдением наименьшего расхо­да вяжущего и порообразующего веществ. Учитывают также требо­вания в отношении морозостойкости бетона и технологичности бе­тонной смеси. Рекомендуются различные методы подбора состава ячеистых бетонов, которые позволяют получать необходимые чис­ловые показатели основных свойств, однако, более целесообразно и в данном случае пользоваться общим методом проектирования оп­тимальных составов ИСК. Он позволяет получать не только наибо­лее экономичные бетоны по своему рациональному составу, но и с комплексом наилучших показателей строительно-технологических и эксплуатационных свойств (закон створа).

Физико-механические свойства ячеистых бетонов характеризу­ются следующими показателями: маркой по пределу прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 150 мм при влажности их 10 ± 2% по массе и 28-суточном твердении в нормальных температур-но-влажностных условиях хранения. По этому показателю ячеистые бетоны разделяются на марки Ml5, 25, 35, 50, 75, 100, 150 или, со­гласно ГОСТ 25485—82, на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; B10; по морозостойкости: F15, 25, 50, 75, 100. Для разных целей при­меняют бетоны с различной прочностью и морозостойкостью. Так, например, конструкционные ячеистые бетоны должны иметь марку по прочности не менее 75 (класс не ниже В5,0), а по морозостойко­сти — не менее 50.

При изготовлении армированных изделий из газо- и пенобетона, газо- и пеносиликата рекомендуется предварительно подвергать ан­тикоррозионной обработке стальную арматуру. Важны теплотехни­ческие свойства ячеистых бетонов, особенно при использовании их в качестве стеновых и других ограждающих конструкций. Так, на­пример, коэффициент теплопроводности их равен обычно 0,11—0,15 Вт/(м∙К), а при уменьшении средней плотности до 250— 200 кг/м³ он равен 0,08—0,07 Вт/(м∙К), что соответствует хорошим теплозащитным материалам. Эти бетоны имеют также высокую зву­копоглощающую и звукоизолирующую способность. Так, при сред­ней плотности 350 кг/м³ коэффициент звукопоглощения составля­ет 0,7 при частоте волн в среднем интервале 375—500 Гц. По огнестойкости многие ячеистые бетоны превосходят тяжелые цемен­тные бетоны вследствие пониженного содержания в них гидратных соединений, которые являются наиболее уязвимыми к воздействию высоких (экстремальных) температур.

Следует отметить, что прочность, как и другие свойства яче­истых бетонов, обусловлена структурой, ее пористостью и поэтому находится в прямой зависимости от величины средней плотности. Если же средняя плотность остается постоянной, то тогда важней­шими факторами выступают активность вяжущего вещества и опти­мальное содержание компонентов в смеси, так что оптимальной структуре ячеистого бетона всегда соответствует комплекс наиболее благоприятных показателей свойств (закон створа).