Строительные материалы и изделия
ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ
Существенный недостаток обычно тяжелого бетона — большая плотность (2400...2500 кг/м3). Снижая плотность бетона, строители достигают как минимум двух положительных результатов:
• снижается масса строительных конструкций;
• повышаются их теплоизоляционные свойства.
Легкие бетоны (в начале XX в. их называли «теплые бетоны») — бетоны с плотностью менее 1800 кг/м3 — универсальный материал для ограждающих и несущих конструкций жилых и промышленных зданий.
Из них изготовляют большинство стеновых панелей и блоков, плит кровельных покрытий и камней для укладки стен. Термин «легкие бетоны» объединяет большую группу различных по составу, структуре и свойствам бетонов.
По назначению легкие бетоны подразделяют на:
• конструктивные (класс прочности — В7,5...В35; плотность —
1400.. .1800 кг/м3);
• конструктивно-теплоизоляционные (класс прочности не менее ВЗ,0, плотность —600...1400 кг/м3);
• теплоизоляционные — особо легкие (плотность < 600 кг/м3).
По строению и способу получения пористой структуры легкие бетоны
подразделяют на следующие виды:
• бетоны слитного строения на пористых заполнителях;
• ячеистые бетоны, в составе которых нет ни крупного, ни мелкого заполнителя, а их роль выполняют мелкие сферические поры (ячейки);
• крупнопористые, в которых отсутствует мелкий заполнитель, в результате чего между частицами крупного заполнителя образуются ; пустоты.
Легкие бетоны на пористых заполнителях — наиболее распространенный вид легких бетонов. Свидетельства их применения известны еще в Древнем Риме. Для получения легких бетонов тогда использовали природный заполнитель — пемзу и туф, а также бой керамики и даже пустые глиняные сосуды. В настоящее время эти заполнители также используют как местный материал.
Широкое развитие легкие бетоны получили во второй половине XX в., когда началось массовое производство искусственных пористых заполнителей: керамзита, аглопорита, шлаковой пемзы и др. (подробнее см. § 10.3).
Теория легких бетонов. Легкие бетоны существенно отличаются от тяжелых тем, что пористые заполнители активно поглощают воду. Связь прочности и В/Ц у легких бетонов носит более сложный характер, чем у тяжелых.
Теория легких бетонов была разработана Н. А. Поповым в 30-х годах. Суть ее сводится к следующему. Наивыгоднейшее сочетание показателей плотности, теплопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетонов достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем, что требует максимально сближенного размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В этом случае будет достигнуто минимальное содержание цементного камня, являющегося самой тяжелой частью легкого бетона.
Наибольшее насыщение объема бетона пористым заполнителем возможно только при правильном подборе зернового состава крупного и мелкого заполнителей с одновременным использованием техноло-
|
|
|
10 |
|
8 6 |
|
о - О О) Д* с: о |
|
Вс |
|
200 |
|
100 |
|
300 |
|
400 |
|
Расход воды, кг/м" |
|
в, |
|
0,8 0,7 |
|
* § Is -*1 |
|
0> 3 л ^ О л 0,5 ^ со |
|
единицы и составляет |
|
0,4 |
|
100 |
|
200 |
|
400 |
|
300 |
|
Расход воды, кг/м' |
|
Рис. 12.17. Зависимость прочности легкого бетона и коэффициента его выхода от расхода воды затворения (В0пт — оптимальный расход воды) |
|
меньше 0,6...0,8. Для определения оптимального для данных конкретных условий количества воды затворения определяют расход воды, при котором коэффициент выхода будет минимальным. Этому количеству воды соответствует максимальная прочность бетона при минимальной плотности и теплопроводности (см. рис. 12.17). Для такого оптимального количества воды прочность легкого бетона зависит от марки цемента Ra и его расхода Ц: R6 = kRM-Uo), где к и Ц0 — параметры, определяемые опытным путем и зависящие от качества применяемого заполнителя. Особенности технологии легких бетонов связаны со спецификой пористых заполнителей: их плотность меньше плотности воды, поверхность частиц шероховатая и они активно поглощают воду. Низкая плотность не позволяет эффективно использовать традиционные бетоносмесители «свободного падения» (см. рис. 12.8), в которых перемешивание интенсифицируется за счет падения тяжелых зерен заполнителя. Шероховатая поверхность также затрудняет перемешивание. Поэтому для приготовления легкобетонных смесей желательно использовать смесители принудительного перемешивания. При вибрировании легких бетонов расслоение смеси имеет обратный характер в сравнении с тяжелым. Вверх всплывают легкие зерна заполнителя, а вниз опускается цементное тесто. , , |
|
гических факторов (пластификаторов и интенсивного уплотнения), обеспечивающих плотную упаковку зерен. Показателем плотности упаковки зерен в бетонной смеси служит коэффициент выхода р, определяемый как отношение объема бетонной смеси V6c к сумме объемов (в рыхло-насыпном состоянии) цемента Fu, мелкого VM и крупного VK заполнителей Р=Уб,/(К+ К,+ Коэффициент выхода Всегда |
Твердение цемента в легких бетонах происходит в более благоприятных условиях, чем в тяжелом бетоне, так как заполнитель, поглотивший воду во время приготовления смеси, служит как бы аккумулятором воды, обеспечивающим влажное твердение бетона в длительные сроки.
Структура и свойства легких бетонов. Пористые заполнители имеют шероховатую поверхность, поэтому сцепление цементного камня с заполнителем не является слабым звеном легких бетонов. Этому способствует также химическая активность вещества заполнителей, содержащих аморфный Si02, способный взаимодействовать с Са(ОН)2 цементного камня. Плотность и прочность контактной зоны «цементный камень — пористый заполнитель» объясняют парадоксально высокую водонепроницаемость и прочность легких бетонов на пористых заполнителях.
Для легких бетонов установлены следующие классы по прочности (МПа) от В2 до В40. Прочность легких бетонов зависит от качества заполнителей, марки и количества использованного цемента. При этом, естественно, изменяется и плотность бетона.
Для легкого бетона установлены 19 марок по плотности (кг/м3) от D200 до D2000 (с интервалом 100 кг/м3). Пониженная плотность легких бетонов может быть достигнута поризацией цементного камня.
Теплопроводность легкого бетона зависит от его плотности и влажности (табл. 12.3). Увеличение объемной влажности на 1 % повышает теплопроводность бетона на 0,015...0,035 Вт/(м • К).
|
600 |
800 |
1000 |
.(200 |
1400 |
1600 |
1800 |
|
|
Керамзитобетон |
0,2 |
0,25 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
|
Перлитобетон |
0,15 |
0,22 |
0,28 |
0,35 |
0,4 |
0,45 |
0,55 |
|
Шлакопемзобетон |
— |
— |
— |
0,35 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
|
Таблица 12.3. Средние значения теплопроводности легких бетонов |
|
Бетон |
|
Теплопроводность, Вт/(м • К), при средней плотности бетона, кг/м, |
Морозостойкость легких бетонов при их пористой структуре до - зольно высокая. Рядовые легкие бетоны имеют морозостойкость в тределах F25...F100. Для специальных целей могут быть получены егкие бетоны с морозостойкостью F200, F300 и F400.
Водонепроницаемость у легких бетонов высокая и увеличивающаяся то мере твердения бетона за счет уплотнения контактной зоны «цементный камень — заполнитель», являющейся самым уязвимым мес - ом для проникновения воды в обычном бетоне. Установлены следующие марки легких бетонов по водонепроницаемости: W0,2; У0,4; W0,6; W0,8; Wl; Wl,2 (давление воды, МПа, не вызывающее фильтрации при стандартньрс испытаниях).
Ячеистые бетоны на 60...‘85 % по объему состоят из замкнутых пор ячеек) размером 0,2...2 мм. Ячеистые бетоны получают при затверде
вании насыщенной газовыми пузырьками смеси вяжущего, кремнези - мистого компонента и воды. Благодаря высокопористой структуре средняя плотность ячеистого бетона невелика — 300...1200 кг/м3; он имеет низкую теплопроводность при достаточной прочности. Бетоны с желаемыми характеристиками (плотностью, прочностью и теплопроводностью) сравнительно легко можно получать, регулируя их пористость в процессе изготовления.
Состав и технология ячеистых бетонов. Вяжущим в ячеистых бетонах может служит портландцемент (или известь) с кремнеземистым компонентом. При применении известково-кремнеземистых вяжущих получаемые бетоны называют газо - и пеносиликаты.
Кремнеземистый компонент — молотый кварцевый песок, гранулированные доменные шлаки, зола ТЭС и др. Кремнеземистый компонент снижает расход вяжущего и уменьшает усадку бетона. Применение побочных продуктов промышленности (шлаков и зол) для этих целей экономически выгодно и экологически целесообразно.
Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливается опытным путем.
Для получения ячеистых бетонов используют как естественное твердение вяжущего, так и активизацию твердения с помощью пропаривания (/= 85...90°С) и автоклавной обработки (/= 175° С). Лучшее качество имеют бетоны, прошедшие автоклавную обработку. В случае применения извести в составе вяжущего автоклавная обработка обязательна.
По способу образования пористой структуры (методу вспучивания вяжущего) различают: газобетоны и газосиликаты; пенобетоны и пеносиликаты.
Газобетон и газосиликат получают, вспучивая тесто вяжущего газом, выделяющимся при химической реакции между веществом-газообра - зователем и вяжущим. Чаще всего газообразовагелем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород
/ : ЗСа(ОН)2 + 2А1 + 6Н20 ЗСаО • А1203 • 6Н20 + H2t
Согласно уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой пудры выделит до 1,25 м3 водорода, т. е. для получения 1 м3 газобетона требуется 0,5...0,7 кг пудры.
Пенобетоны и пеносиликаты получают, смешивая тесто вяжущего с заранее приготовленной устойчивой технической пеной. Для образования пены используют пенообразователи, получаемые как модификацией побочных продуктов других производств (гидролизованная кровь, клееканифольный пенообразователь), так и синтезируемые специально (сульфанол и т. п.).
Свойства ячеистых бетонов определяются их пористостью, видом
вяжущего и условиями твердения.
Как уже говорилось, пористость ячеистых бетонов — 60...85 %. Характер пор — замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевшего цементного камня, который, как известно, пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха поры в ячеистом бетоне замкнуты, а для проникновения воды — открыты. Поэтому водопоглощение ячеистого бетона довольно высокое (табл. 12.4) и морозостойкость соответственно пониженная по сравнению с бетонами слитной структуры.
Гидрофильность цементного камня и большая пористость обусловливают высокую сорбционную влажность. Это сказывается на теплоизоляционных показателях ячеистого бетона (табл. 12.4). Поэтому при использовании ячеистого бетона в ограждающих конструкциях его наружную поверхность необходимо защищать от контакта с водой или гидрофобизировать.
|
Таблица 12.4. Зависимость свойств ячеистых бетонов от плотности (средние показатели)
|
Прочность ячеистых бетонов зависит от их средней плотности и находится в пределах 1,5... 15 МПа. Модуль упругости ячеистых бетонов ниже, чем у обычных бетонов, т. е. они более деформативны. Кроме того, у ячеистого бетона повышенная ползучесть.
Ячеистые бетоны и изделия из них обладают хорошими звукоизоляционными свойствами, они огнестойки и легко поддаются механической обработке (пилятся и сверлятся).
Наиболее рациональная область применения ячеистых бетонов — ограждающие конструкции (стены) жилых и промышленных зданий: несущие — для малоэтажных зданий и ненесущие — для многоэтажных, имеющих несущий каркас.
Крупнопористый бетон получают при затвердевании бетонной смеси, состоящей из вяжущего (обычно портландцемента), крупного заполнителя и воды. Благодаря отсутствию песка и пониженному расходу цемента (70... 150 кг/м3), используемого лишь для склеивания зерен крупного заполнителя, плотность крупнопористого бетона на
600.. .700 кг/м3 ниже, чем у аналогичного бетона слитного строения.
Крупнопористый бетон целесообразно изготовлять на основе пористых заполнителей (керамзитового гравия, шлаковой пемзы и др.). В этом случае средняя плотность бетона составляет 500...700 кг/м и плиты из такого бетона эффективны для теплоизоляции стен и покрытий зданий.
