Строительные материалы и изделия

Легкие бетоны

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

Бетоны на пористых заполнителях. Их изготавливают с учетом способности легких заполнителей всплывать на поверхность бе­тонной смеси и поглощать воду. Малая масса заполнителей зат­рудняет использование гравитационных бетоносмесителей, необ­ходимо применение смесителей принудительного действия. В уло­женной бетонной смеси, особенно при ее вибрировании, легкие зерна заполнителей перемещаются вверх, приводя к расслоению смеси, отличному от того, которое наблюдается в тяжелых сме­сях, где заполнители стремятся опуститься вниз. Отсасывание воды пористым заполнителем приводит к равномерному по объему са­моуплотнению бетона. Это позволяет производить распалубку бе­тона в ранние сроки и повышает оборачиваемость формооснаст - ки.

Природные пористые заполнители получают 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 (см. подразд. 4.3).

Искусственные пористые заполнители получают путем вспени­вания расплавов или вспучивания при нагревании до пироплас- тического состояния твердых материалов, обладающих способно­стью образовывать пористые структуры.

Керамзитовый гравий получается обычно во вращающейся печи быстрым нагреванием отформованных или дробленых зерен из легкоплавкой глины, которая размягчается при частичном рас­плавлении и одновременно вспучивается выделяющимися газами. Газы выделяются не из глины, а из других сопутствующих ве­ществ. Газообразование связывают с дегидратацией, декарбониза­цией и восстановительными процессами. Керамзитовый гравий подразделяется на три фракции: 5... 10, 10...20 и 20...40 мм и ха­рактеризуется марками по насыпной плотности от 250 до 800. Ко­эффициент теплопроводности керамзита колеблется в диапазоне 0,035...0,350 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 их обжига во вра­щающейся печи. Шунгит — минерал (аморфная разновидность графита), образовавшийся 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 дру­гих пористых заполнителях.

Аглопорит получают термической обработкой смеси глинис­тых пород, золошлаковых отходов и измельченного угля (8... 10 %), выгорание которого обеспечивают 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 (у0 = 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... 1 150 °С происходит за счет испарения растворенной в стекле воды и одновременного размягчения породы.

Вермикулит вспученный — особо легкий материал (у0 = 80... 400 кг/м3), получаемый при температуре 600...900°С в виде гра­нул, вспученных поперек пластинок слюды-вермикулита паром выделяющейся гидратной воды.

Подвижность легкобетонной смеси обычно низкая из-за нозд­ревато-пористой поверхности заполнителей, удерживающей зна­чительное количество цементного теста. Часть теста расходуется на заполнение межзерновых пустот и также не выполняет смазоч­ную функцию. Получить подвижную легкобетонную смесь можно лишь при больших расходах вяжущего, когда прослойки теста между зернами заполнителей являются достаточно толстыми. Для экономии вяжущего и снижения плотности 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 — плотность и прочность. Плотность должна быть как можно меньше, а проч­ность — как можно больше. Оба свойства изменяются с пористо­стью противоположным образом. Прочность легкого бетона, в от­личие от обычного, зависит не только от качества цементирую­щего камня, определяемого значением В/Ц, но и от его количе-

ства, с увеличением которого прочность возрастает. Одновремен­но растет и плотность, но относительно медленнее, так что удель­ная прочность (отношение прочности к плотности) с увеличени­ем расхода вяжущего вещества возрастает. Зависимости прочности и плотности от расхода воды (В) характеризуются наличием мак­симума при одном и том же значении В,, которое является опти­мальным (рис. 9.11). Увеличение В сверх В, 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 В, прочность возрастает, но теперь значение В, уже не является оптимальным и при В < В) 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.

Беспесчаный (крупнопористый) бетон. Он 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. Плотность крупнопористого бетона на плотных заполнителях составляет 1 700... 1 900 кг/м3. Это значение можно резко уменьшить, применяя пористые заполни­тели. Беспесчанный бетон продуваем, поэтому стены из него нуж­но оштукатуривать с двух сторон.

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

Газобетон приготавливают из смеси портландцемента (час­то с добавлением 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:

ЗСа(ОН)2 + 2А1 + 6Н20 = ЗН2Т + ЗСаО ■ А1203 - 6Н20

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

Кварцевый песок обычно размалывают мокрым способом и применяют в виде шлама. Компоненты дозируют, подают в газо - бетоносмеситель и перемешивают в течение 4...5 мин; 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 °С). Через 10...20 мин 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 схватывание.

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 температуре 175...200 °С 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 сут в 3 — 5 раз превышает прочность газобетона, твердев­шего в течение 28 сут в нормальных условиях.

Пенобетон получают добавлением к бетонной смеси отдель­но приготовленной пены, обусловливающей образование ячеек. Пену готовят из воды и пенообразователя (клееканифольного, смолоса­понинового, алюмосульфонафтенового 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 ускорители твердения цемента.

Плотность ячеистых бетонов составляет от 300 до 1 200 кг/м3, а пористость — соответственно от 85 до 60 %. Снижение пористости в этих пределах ведет к увеличению класса по прочности на сжа­тие от ВО,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 X, которая, однако, может возрасти при заполнении пор водой. Например, газобетон плотностью 600 кг/м3 в сухом состоянии имеет X = 0,14, а при влажности %%Х - 0,22 Вт/(м • К). Ячеистые бетоны применяются для легких армированных конструкций, та­ких как стеновые панели, плиты перекрытий, а также для конст­рукций без арматуры в качестве стеновых камней и теплоизоля­ционного материала.