Легкие бетоны.

     Легкими бетонами называют все виды бетонов, имеющие среднюю плотность в воздушно-сухом состоянии от 200 до 2000 кг/м . Главные требования, предъявляемые к легкому бетону, – заданная средняя плотность, необходимая прочность к определенному сроку твердения и долговечность (стойкость). Характерными особенностями легкого бетона являются его пониженные средняя плотность и теплопроводность.

     Легкие бетоны классифицируют по различным признакам: основному назначению, виду вяжущего, заполнителя, структуре.

     По назначению легкие бетоны подразделяют на два вида: конструкционные, включая конструкционно-теплоизоляционные, и теплоизоляционные и др.

     По виду вяжущего легкие бетоны могут быть на основе цементных, известковых, шлаковых, гипсовых, полимерных, обжиговых и других вяжущих, обладающих специальными свойствами. По виду крупного пористого заполнителя установлены следующие виды легких бетонов: керамзитобетон, шунгизитобетон, аглопоритобетон, шлакопемзобетон, перлитобетон, бетон на щебне из пористых горных пород, вермикулитобетон, шлакобетон (бетон на топливном или пористом отвальном металлургическом шлаке), бетоны на аглопоритовом или зольном гравии. По структуре легкие бетоны подразделяют на плотные, поризованные и крупнопористые.

     Легкие бетоны на пористых заполнителях имеют принципиальные отличия от обычных тяжелых бетонов, обусловленные особенностями пористых заполнителей. Последние имеют меньшую плотность, чем плотные, небольшую прочность, зачастую ниже заданного класса бетона, обладают сильно развитой и шероховатой поверхностью. Эти качества легкого заполнителя влияют как на свойства легкобетонных смесей, так и на свойства бетона.

     В зависимости от заполнителя, плотного или пористого, резко меняются водопотребность и водосодержание бетонной смеси, меняются и основные свойства легкого бетона. Одним из решающих факторов, от которых зависит прочность легкого бетона, является расход воды. При увеличении количества воды до оптимального прочность бетона растет. Оптимальный расход воды в легких бетонах соответствует наибольшей плотности смеси, уложенной в заданных условиях, и устанавливается по наибольшей прочности бетона или же по наибольшей плотности уплотненной смеси. Если же количество воды превышает оптимальное для данной смеси, то плотность цементного камня уменьшается, а с ним уменьшается и прочность бетона. Для легкого бетона оптимальный расход воды можно установить по наибольшей плотности уплотненной бетонной смеси или наименьшему выходу бетона. Следует также иметь в виду, что в легких бетонах некоторый избыток воды менее вреден, чем ее недостаток.

     Стремление максимально плотно уложить заполнитель объясняется тем, что наиболее легкий бетон заданной прочности получается при минимальном расходе вяжущего и наибольшем сближении зерен пористого заполнителя, т. е. при предельной степени уплотнения смеси. Хорошее уплотнение смеси достигается вибрацией с применением равномерно распределенного давления на поверхность формуемой массы (вибропрессование, виброштампование). Оптимальное количество воды для приготовления легких бетонов зависит главным образом от водопотребности заполнителя и вяжущего, интенсивности уплотнения смеси и состава бетона. Водопотребность заполнителя определяется зерновым составом и пористостью, и обычно чем она больше, тем больше суммарная поверхность и открытая пористость его зерен. Отсос воды из цементного теста или раствора пористыми заполнителями в период приготовления и укладки бетонной смеси вызывает относительно быстрое ее загустевание, что делает смесь жесткой и трудноукладываемой. Это специфическое свойство усиливается и шероховатой, развитой поверхностью пористого заполнителя. Для повышения подвижности смеси необходимо вводить в нее большее количество воды, чем в обычные (тяжелые) бетоны.

     Плотность и прочность легкого бетона зависят главным образом от насыпной плотности и зернового состава заполнителя, расхода вяжущего и воды, а также от метода уплотнения легко-бетонной смеси. По качеству пористого заполнителя можно ориентировочно судить, какая прочность легкого бетона может быть получена.

     В строительной практике ограждающие и несущие конструкции получают из относительно плотных легких бетонов значительной прочности (2,5—10 МПа). Снижение плотности достигается тщательным подбором зернового состава пористого заполнителя, а также наименьшим расходом вяжущего для бетона заданной прочности, т. е. максимальным заполнением объема бетона пористым заполнителем, так как заполнитель легче цементного камня. При этом важно правильное соотношение крупных и мелких фракций заполнителя. Оптимальное содержание мелких фракций соответствует наименьшей плотности бетона и наименьшему расходу цемента. Однако с увеличением количества мелких фракций заполнителя сверх оптимального растет плотность бетона и ухудшается удобство его укладки. Оптимальный зерновой состав заполнителя подбирают опытным путем.

     Для снижения плотности бетона без уменьшения его прочности целесообразно применять высокоактивные вяжущие вещества. Особенностью легких бетонов является то, что их прочность зависит не только от качества цемента, но и его количества. С увеличением расхода цемента растут прочность и плотность бетона. Это связано с тем, что с увеличением количества цементного теста легкобетонные смеси лучше уплотняются, а также возрастает содержание в бетоне наиболее прочного и тяжелого компонента – цементного камня.

     Теплоизоляционные свойства легких бетонов зависят от степени их пористости и характера пор. В легком бетоне тепло передается через твердый остов и через воздушные пространства, заполняющие поры, а также в результате конвекционного движения воздуха в замкнутом объеме. Поэтому чем меньше объем пор, тем меньше подвижность воздуха в бетоне и тем лучшими теплоизолирующими свойствами обладает бетон.

     Легкие бетоны в силу своей высокой пористости менее морозостойки, чем тяжелые, но достаточно морозостойки для применения в стеновых и других конструкциях зданий и сооружений. Хорошую морозостойкость легких бетонов можно получить, применяя искусственные пористые заполнители, обладающие низким водопоглощением, например керамзит, а также путем поризации цементного камня. Повышают морозостойкость легких бетонов также введением гидрофобизующих добавок.

     Легкие бетоны ввиду универсальности свойств применимы в различных строительных элементах зданий и сооружений. Так, из легких бетонов на пористых заполнителях, обладающие низкой теплопроводностью, изготовляют панели для стен и перекрытий отапливаемых зданий; из напряженного армированного бетона выполняют пролетные строения мостов, фермы, плиты для проезжей части мостов и т. д.

Материалы для легких бетонов

     Для приготовления легких бетонов применяют портландцемент, быстротвердеющий портландцемент и шлакопортланд-цемент.

     В качестве заполнителей для легких бетонов используют природные и искусственные сыпучие пористые материалы с насыпной плотностью не более 1200 кг/м при крупности зерен до 5 мм (песок) и не более 1000 кг/м при крупности зерен 5—40 мм (щебень, гравий).

     По происхождению пористые неорганические заполнители делят на три группы: природные, искусственные (специально изготовляемые) и заполнители из отходов промышленности. Природные пористые заполнителиизготовляют дроблением и рассевом легких горных пород (пемзы, вулканических шлаков и туфов, пористых известняков, известняков-ракушечников, известняковых туфов и др.).

     Искусственные пористые заполнителиполучают из отходов промышленности или путем термической обработки силикатного сырья, подвергнутых рассеву или дроблению и рассеву. К ним относятся:

     1) керамзит и его разновидности, шунгизит, зольный гравий, глинозольный керамзит, вспученный азерит, получаемые обжигом со вспучиванием подготовленных гранул (зерен) из глинистых и песчано-глинистых пород (глин, суглинков, глинистых сланцев, аргиллита, алевролита), шунгитосодержащих сланцев, трепелов, золошлаковой смеси или золы-уноса ТЭЦ;

     2) термолит, получаемый при обжиге без вспучивания щебня или подготовленных гранул кремнистых опаловых пород (диатомита, трепела, опоки и др.);

     3) перлит вспученный, получаемый при обжиге гранул из вулканических водосодержащих пород (перлита, обсидиана и других водосодержащих вулканических стекол);

     4) вермикулит вспученный, получаемый при обжиге подготовленных зерен из природных гидратированных слюд.

     Из отходов промышленностиприменяют песок и щебень преимущественно из гранулированного или вспученного металлургического шлака.

     Гранулированный шлак — мелкозернистый пористый материал, получаемый при быстром охлаждении расплавов металлургических шлаков. Шлаковую пемзу (термозит) получают в виде глыб ячеистой структуры путем вспучивания шлакового расплава с помощью воды, воздуха или их смеси.

     Существующие способы поризации шлака делят на две основные группы. К первой относятся методы поризации расплава в периодически действующих агрегатах, например в бассейнах; ко второй – методы поризации расплава в непрерывно действующих агрегатах (например, гидроэкранная установка). Фиксацию пористой структуры осуществляют быстрым охлаждением расплава. Куски шлаковой пемзы дробят и рассеивают на щебень и песок. В зависимости от насыпной плотности щебня (400–800 кг/м ) прочность заполнителя составляет 0,4–2,0 МПа.

     Аглопорит представляет собой искусственный пористый заполнитель с размером гранул 5—20 мм, насыпной плотностью 400–700 кг/м и пределом прочности 0,4–1,5 МПа. Сырьем для производства аглопорита служат глинистые породы (суглинок, супесь, аргиллит, глинистый сланец), а также отходы промышленности – глинистые отходы от добычи и обогащения углей, горелая порода, топливные шлаки, зола ТЭЦ и другие камневидные силикатные породы. Технология производства аглопоритового гравия из зол ТЭЦ методом спекания сырцовых гранул на решетках алгомерационных машин позволяет получать искусственный пористый заполнитель в виде гранул округлой формы.

     Гравий и песок керамзитовый относятся к специально изготовленным заполнителям – это материал округлой формы, который получают при обжиге глин. Создание пористой структуры достигается вспучиванием глинистого вещества, нагретого до пироплас-тического состояния газами, выделяющимися из него в процессе нагревания. Керамзитовый гравий выпускают прочностью 0,6–6 МПа, насыпной плотностью 150–800 кг/м , средней прочностью 2,6 МПа. Керамзитовый песок получают дроблением и рассевом керамзитового гравия или щебня или как самостоятельную фракцию при обжиге. Гравий керамический полый – материал округлой формы – получают обжигом специально изготовленных пустотелых глиняных гранул.

     Вспученный перлит изготовляют в виде щебня и песка путем кратковременного обжига вулканических водосодержащих стекловидных пород. Процесс теплообработки перлитов в зависимости от свойств сырья и вида готового продукта (щебня и песка) осуществляют путем одно– и двухстадийного обжига в коротких вращающихся печах и во взвешенном состоянии в вертикальных печах.

     По форме и характеру поверхности пористые заполнители могут иметь округлую, относительно гладкую (угловатую) и шероховатую (ноздреватую) поверхность. По крупности зерен их делят на следующие фракции: песок – до 1,2 и 1,2–5,0 мм, щебень или гравий – 5—10, 10–20 и 20–40 мм. По показателям насыпной плотности в сухом состоянии (кг/м ) пористые заполнители делят на марки М100—1200 для щебня (гравия) и до М1200 для песка. Пористые заполнители в зависимости от прочности, определяемой сдавливанием в цилиндре, подразделяют на марки.

     Выбор крупного заполнителя производят на основе подбора состава бетона с учетом формы зерен (гравий, щебень), вида и свойств мелкого заполнителя и структуры и вида бетона (теплоизоляционного, конструкционно-теплоизоляционного, конструкционного).

     Содержание водорастворимых сернистых соединений в пересчете на S0 в заполнителях, предназначенных для армированных легких бетонов, не должно превышать 1 % по массе. В качестве добавок для легких бетонов применяют тонкомолотые доменные гранулированные шлаки, диатомит, трепел, туф, пемзу, трасс. Кроме указанных в легкие бетоны вводят добавки, являющиеся замедлителями или ускорителями твердения. В качестве порообразователей для снижения плотности легких бетонов используют алюминиевый порошок, пергидроль, смолосапониновый порообразователь и другие добавки. Для приготовления и увлажнения легкого бетона применяют питьевую воду, отвечающую тем же требованиям, что и для тяжелых бетонов.

Защита стальной арматуры в легких бетонах

     Повышенная пористость легких бетонов способствует возникновению и развитию коррозии арматуры в железобетонных изделиях. Поэтому в агрессивной среде легкий бетон армированной конструкции должен быть плотным. Как показывает практика, в таком бетоне содержание цемента должно быть не менее 250 кг/м . Иногда арматуру покрывают различными составами: цементноказеиновой суспензией с нитритом натрия; битумной мастикой с молотым песком, золой и растворителем – толуолом, битумоцементной мастикой.

Свойства легких бетонов

     Основным показателем прочности легкого бетона является его класс, установленный по прочности его на сжатие: В2; 2,5; 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 17,5; 20; 22,5; 25; 30; 40; для теплоизоляционных бетонов, кроме того, предусмотрены классы ВО,35; 0,75 и 1. Наряду с прочностью важной характеристикой легкого бетона является его плотность в сухом состоянии. По этому показателю легкие бетоны подразделяют на марки от Д200 до Д2000 с градацией 100. Уменьшить плотность легких бетонов можно путем образования в цементном камне мелких пор с помощью пено– и газообразующих веществ.

     Теплопроводность легких бетонов зависит в основном от плотности и влажности (увеличение влажности повышает теплопроводность). По морозостойкости легкие бетоны делят на 10 марок: F25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400 и 500. Для наружных стен зданий применяют бетоны с морозостойкостью не ниже F25. Водонепроницаемость конструкционных легких бетонов может быть высокой. По этому показателю установлены следующие марки легкого бетона на пористых заполнителях: W0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2 (МПа гидростатического давления).

Ячеистые бетоны

     Ячеистые бетоны являются разновидностью легких бетонов с равномерно распределенными порами (до 85 % от общего объема бетона); их получают в результате затвердевания предварительно вспученной порообразователем смеси вяжущего, воды и кремнеземистого компонента.

     По виду применяемого вяжущего ячеистые бетоны делят на следующие группы: газобетоны и пенобетоны, получаемые на основе портландцемента или цементно-известкового вяжущего; газосиликаты и пеносиликаты на основе смеси извести-кипелки и кварцевого песка; газошлакобетоны и пено-шлакобетоны, изготавливаемые из смеси извести и тонкомолотых доменных гранулированных шлаков или золы-уноса.

     По условиям твердения различают ячеистые бетоны пропаренные и автоклавного твердения. По назначению и плотности ячеистые бетоны делят на теплоизоляционные с плотностью в сухом состоянии до 500 кг/м , конструкционно-теплоизоляционные с плотностью 500–900 кг/м и конструкционные с плотностью 900– 1200 кг/м . По показателям плотности установлено десять марок ячеистого бетона от Д300 до Д1200.

     Ячеистые бетоны, будучи материалами весьма пористыми, отличаются низкой плотностью и, соответственно, относительно невысокой прочностью. Такая же связь, но несколько другого порядка, существует между плотностью и теплопроводностью – показателем, особо важным для ячеистых бетонов. Теплопроводность ячеистых бетонов изменяется в пределах 0,07—0,25 Вт/(м °С). В идеальном случае структура ячеистого бетона представляет замкнутые ячейки размером 0,4–1,5 мм. Равномерность размеров и замкнутый характер пор уменьшают концентрацию напряжений в цементной оболочке ячеек, распределение напряжений происходит равномерно по сечению элемента, и прочность ячеистого бетона увеличивается. При неудовлетворительной структуре наряду с мелкими замкнутыми порами присутствуют открытые крупные ячейки, которые могут сообщаться не только между собой, но и с окружающей средой. При такой структуре ячеистого бетона уменьшаются прочность и морозостойкость, увеличиваются теплопроводность и водопоглощение. Высокая морозостойкость ячеистых бетонов объясняется особенностями их строения – большим количеством замкнутых пор, наполненных воздухом или газом. Для ячеистых бетонов установлены следующие марки морозостойкости: F15, 25, 35, 50 и 100.

     Важным показателем прочности ячеистого бетона является прочность камня-оболочки ячейки, которая зависит не только от вида вяжущего, но и условий его твердения и влажности бетона. Наиболее высокую прочность имеют бетоны после автоклавной обработки, при этом значительно экономится вяжущее вещество. В зависимости от гарантированных значений прочности ячеистого бетона на сжатие установлены следующие классы (МПа) ВО,35; 0,75; 0,85; 1; 1,5; 2,5; 3,5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5 и 20.

     Большие усадочные деформации вызываются изменением влажности при высыхании бетона, их величина зависит главным образом от начальной влажности изделий после тепловлажностной обработки. После автоклавного твердения влажность изделий доходит до 25 % по массе, а после пропаривания – до 50 %. Усадка после высыхания достигает соответственно 1,2 и 2,5 мм/м. От усадочных деформаций могут появиться трещины, значительно снижающие долговечность изделий. Введение в состав ячеистого бетона немолотого песка или снижение расхода воды затворения, а также применение более совершенной технологии изготовления изделий – вибровспучивания с последующей автоклавной обработкой – позволяют значительно снизить усадочные деформации.

     Вяжущим для приготовления ячеистых бетонов обычно служат портландцемент, молотая негашеная известь. В качестве кремнеземистого компонента используют измельченный кварцевый песок, молотые доменные шлаки и золу-унос. Вода для ячеистых бетонов должна удовлетворять общим требованиям, предъявляемым к воде для бетонов. Для образования ячеистой структуры бетона применяют пено– и газообразователи. В качестве пенообразователей используют несколько видов поверхностно-активных веществ, способствующих получению устойчивых пен. Клееканифольный пенообразователь приготовляют из мездрового клея, канифоли и водяного раствора едкого натра; смолосапониновый – из мыльного корня и воды, иногда для увеличения стойкости пены в него вводят жидкое стекло; алюмосульфонафтеновый – из керосинового контакта, сернокислого глинозема и едкого натра; пенообразователь ГК – из гидролизованной боенской крови и сернокислого железа. В качестве газообразователей используют алюминиевую пудру ПАК-3 или ПАК-4 с содержанием активного алюминия 82 % и тонкостью помола 5000–6000 см /г. Расход алюминиевой пудры зависит от плотности получаемого газобетона и составляет 0,25—0,6 кг/м .

     Пенобетоны — это смесь цементного теста или раствора с устойчивой пеной. Пену получают взбиванием жидкой смеси канифольного мыла и животного клея или водного раствора сапонина. Такая пена имеет устойчивую структуру, хорошо смешивается с цементным тестом и раствором, которые распределяются по пленкам, окружающим воздушные ячейки, и в этом положении затвердевают. Лучшими пенообразователями являются алюмосульфона-фтеновые и пенообразователь ГК.

     Пену, цементное тесто или раствор, а также их смесь приготовляют в специальных пенобетоносмесителях, состоящих из трех барабанов, внутри которых вращаются валы с лопастями. Готовое тесто из верхнего барабана переливается в нижний, туда же из второго верхнего барабана поступает готовая пена, после чего тесто и пену тщательно перемешивают в течение 2–3 мин. Приготовленная смесь поступает в бункера, из которых разливается в формы для изделий. До тепловлажностной обработки смесь выдерживают в формах. За это время пеномасса приобретает начальную прочность, не разрушаясь при встряхивании. Сократить время выдержки можно путем использования быстросхватывающихся цементов или путем введения добавок – ускорителей твердения.

     По физико-механическим свойствам различают пенобетон теплоизоляционный, конструктивно-теплоизоляционный и конструктивный. Теплоизоляционный пенобетонотливается в виде блоков размером 100x50x50 см и больше, которые после затвердевания распиливают на плиты. Этот вид пенобетона имеет прочность до

     2,5 МПа. Его применяют для теплоизоляции железобетонных покрытий, перегородок и т. д. Конструктивно-теплоизоляционный пенобетонимеет прочность 2,5–7,5 МПа, применяют его для ограждающих конструкций. Из конструктивного пенобетонаизготовляют изделия для покрытий. Их армируют двумя сетками из проволоки диаметром 3–5 мм. Конструктивный пенобетон, прочность которого доходит до 20 МПа, широко используют в трехслойных ограждающих конструкциях отапливаемых зданий.

     Газобетон получают из смеси портландцемента, кремнеземистого компонента и газообразователя. В качестве газообразователя широко используется алюминиевая пудра, которая, реагируя с водным раствором гидроксида кальция, выделяет водород, вызывающий вспучивание цементного теста. Последнее, затвердевая, сохраняет пористую структуру. В портландцементных бетонах гидроксид кальция образуется в результате гидролиза трехкальциевого силиката, для ускорения этого процесса в смесь добавляют известь до 10 % от массы цемента.

     Алюминиевую пудру для лучшего распределения в смеси применяют в виде водной суспензии. Так как алюминиевый порошок при изготовлении на заводе парафинируют и частицы алюминия не смачиваются водой, то для удаления пленки парафина алюминиевую пудру предварительно прокаливают в электропечах при температуре 200 °C, чтобы исключить возможность воспламенения порошка или взрыва. Кроме того, для придания пудре гидрофильных свойств ее обрабатывают водным раствором СДБ, канифольного мыла и др.

     Для изготовления изделий из газобетона смесь молотого песка и воды смешивают в смесителе с цементом, алюминиевым порошком, водой и немолотым песком. Затем смесь разливают в формы.

     Блоки из ячеистых бетонов автоклавного твердения применяют для кладки наружных и внутренних стен и перегородок жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий с относительной влажностью воздуха помещений не более 75 % (при влажности более 60 % с внутренней поверхности наружных стен должно наноситься пароизоляционное покрытие). Применение блоков из ячеистых бетонов для цоколей и стен подвалов, а также стен помещений с мокрым режимом или наличием агрессивных сред не допускается.