Ячеистый бетон - это искусственный камнеподобный материал на основе вяжущего инертных кремнеземных компонентов, воды и порообразователя.
Бетонная масса поризуется различными способами, в результате изменяются основные физико-механические свойства материала: объемная масса, теплопроводность, прочность, водопоглощение, морозостойкость и т.д.
Большое количество пустот, в основном сферической формы, равномерно распределяющихся по объему материала, придает поризованному бетону ряд ценных эксплуатационных свойств, делающих возможным его применение практически во всех областях современного капитального строительства.
Возможность использования мелких карьерных песков, техногенных и технологических отходов (золошлаковые отходы ТЭС), мелкие фракции отходов сушки песка, отходов дробления бетонного лома, щебня горных пород и т.д., открывает широкие возможности производства ячеистых бетонов и песчаных бетонов плотной структуры. Заметим, что в европейской части России практически полностью отсутствуют месторождения качественного заполнителя для бетона. Большинство используемых в качестве инертного заполнителя материалов (в основном осадочных пород), традиционно добываемых в европейской части России, можно признать лишь условно годными для использования в бетоне и железобетоне.
В то время как запасы мелкого карьерного песка весьма велики. Техногенные и технологические отходы, практически не пригодные к использованию в производстве традиционно используемых строительных материалов, являются отличным компонентом ячеистого бетона. Использование отходов в производстве ячеистого бетона позволяет значительно снизить себестоимость выпускаемых изделий, одновременно внося свой вклад в общее оздоровление экологической обстановки европейской части России.
Вопросы энерго- и ресурсосбережения в современном капитальном строительстве приобретают все большее значение в условиях роста цен на энергоносители.
Выполнение требований новых теплотехнических норм в соответствии с изменениями 3 СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» не возможно без массового применения теплоэффективных строительных материалов и конструкций. Основным способом увеличения теплосопротивления ограждающих конструкций является применение пористых строительных материалов низкой теплопроводности и плотности.
Низкая плотность и высокие показатели теплосопротивления ячеистых бетонов позволяют снизить массу стен втрое по сравнению со стенами из глиняного кирпича. На сегодняшний день ячеистый бетон практически единственный строительный материал пригодный для использования в однослойных ограждающих конструкциях требуемого теплосопротивления, при условии минимальной толщины стены.
Ячеистые бетоны различаются как по способу порообразования, так и по характеру среды твердения (ячеистые бетоны автоклавного и неавтоклавного твердения).
1. Газобетон
Газобетон производят путем введения в рабочий раствор алюминиевой пудры или пасты. Вспучивание (поризация) рабочего раствора происходит в специальных формах и должно закончиться до начала схватывания вяжущего. Для интенсификации газовыделения при производстве газобетона применяются ударные площадки и виброплощадки. Для производства газобетона характерно широкое использование агрегатов тонкого помола материалов, типа шаровых и молотковых мельниц для мокрого помола кварцевого песка, извести, топливного шлака и т.д.
Применяемая в производстве газобетона алюминиевая пудра смешивается с водой до образования суспензии. При взаимодействии с известью алюминиевая суспензия образует большое количество пузырьков наполненных водородом, благодаря которым и формируется пористая структура материала.
Газобетон изготавливается только в заводских условиях, его производство сопряжено с высоким расходом энергии, необходимой для работы автоклавов, шаровых мельниц, ударных площадок и смесителей.
2.Пенобетон
Пенобетон раздельного приготовления компонентов производят путем введения в рабочий цементно-песчаный раствор устойчивой технической пены. Пена приготавливается из водопенного неактивированного раствора, который, проходя через пеногенератор, резко увеличивается в объеме. Получение пены заданных характеристик (кратность, стойкость) возможно на основе органических пенообразователей, а также на основе синтетических пенообразователей. В настоящее время на рынке представлено большое количество пенообразователей как отечественного, так и импортного производства.
В производстве пенобетона раздельного приготовления компонентов используют пеногенераторы аэрозольного типа, либо механические пеногенераторы (поризаторы).
Пенобетон может изготавливаться как в закрытых цехах, так и на открытых строительных площадках в непосредственной близости от места использования.
По способу поризации рабочего раствора можно выделить отдельный тип пенобетона - поробетон.
3.Поробетон
Поробетон, обладая аналогичной плотностью с газобетоном и пенобетоном, значительно превосходит последний практически по всем основным физико-механическим характеристикам (прочность на сжатие, морозостойкость, усадка при высыхании).
Поробетон изготавливается в одностадийных смесителях, где смешивание компонентов раствора и его поризация происходит одновременно.
Поробетон может изготавливаться как в условиях закрытых цехов, так и на открытых строительных площадках в непосредственной близости от места использования.
Ячеистые бетоны также различаются по характеру среды твердения (способу тепловой обработки) на автоклавные ячеистые бетоны и неавтоклавные.
При производстве автоклавных ячеистых бетонов применяется метод запаривания материала при температуре 180°С с избыточным давлением 12Атм.
Твердение неавтоклавного ячеистого бетона (пенобетона, поробетона) происходит либо в естественных условиях при температуре выше 10°С, либо с применением тепловлажностной обработки в специальных камерах или непосредственно в термоформах.
Автоклавная обработка позволяет получать изделия прочностью на сжатие 35 кг/см2 при плотности 500 кг/m3, однако подобные условия твердения существенно изменяют минералогический состав бетона. По мнению специалистов, автоклавную обработку нельзя признать оптимальной для процесса твердения бетона, а сам цемент не является хорошим материалом для производства изделий методом автоклавирования.
Так же ячеистые бетоны различаются по виду применяемых вяжущих. Использование тонкомолотой извести, тонкомолотого кварцевого песка и измельченного доменного шлака характерно для производства силикатных и шлаковых ячеистых бетонов, а использование портландцемента для цементного ячеистого бетона.
Ячеистые бетоны не зависимо от способа поризации, использования типа вяжущих и способа тепловой обработки могут иметь различный (изменяемый) объем сформированных воздушных ячеек (пор) и соответственно различные показатели плотности и теплопроводности. Чем выше пористость материала, тем ниже его плотность. Однако вместе со снижением плотности материала снижается и его прочность на сжатие. Именно показатели прочности на сжатие материала определяют его область применения в строительстве. Ячеистые бетоны подразделяются на три группы использования:
Из перечисленных видов ячеистых бетонов автоклавный газобетон при аналогичной плотности с неавтоклавным пенобетоном значительно превосходит последний по показателям прочности на сжатие, трещиностойкости, усадки при высыхании и т.д.
Начавшееся около пяти лет назад интенсивное развитие производства пенобетона и соответственно активное использование в строительстве неавтоклавного пенобетона и изделий из него в настоящее время переживает явный спад. И если использование неавтоклавного пенобетона в качестве теплоизоляционного материала, приготовленного непосредственно на строительной площадке, продолжает развиваться, доля конструкционного материала в виде стеновых блоков (камней), армированных изделий постоянно сокращается.
Газобетон, а точнее стеновые блоки из газобетона, постепенно вытесняют со строек стеновые блоки из неавтоклавного пенобетона. Наиболее поразительным в данной ситуации является то, что, несмотря на кажущуюся дешевизну производства неавтоклавного материала, его отпускная стоимость в Москве и Подмосковье практически равна стоимости автоклавного газобетона, привезенного за тысячи километров!
Соответственно, неавтоклавный пенобетон проигрывает газобетону не только в качестве, но и в цене. И это притом, что производство неавтоклавного пенобетона объективно менее затратное предприятие, нежели производство его автоклавного собрата.
Для того чтобы разобраться в причинах низкого качества и высокой стоимости неавтоклавного пенобетона, необходимо обратиться к опыту производства автоклавного газобетона и мелкозернистого бетона вообще.
Основное влияние на прочность поризованного материала оказывает прочность межпоровых перегородок.
Рассматривая межпоровые перегородки ячеистого бетона с позиции неприложных законов производства бетона, приходится признать отрицательное влияние на его свойства избыточного количества воды затворения.
Воду затворения условно можно разделить на три части: Вода №1 - Химически связанная вода. Химически связанная вода необходима для нормальной гидратации вяжущего материала. Вода №2 - Физически связанная вода, абсорбированная твердыми компонентами смеси. Количество физически связанной воды напрямую зависит от показателей удельной поверхности сухих составляющих смеси. Вода №3 - Свободная балластная вода.
Преобладающим фактором, определяющим свойства ячеистого бетона, является структура межпорового вещества (микроструктура), которая слагается из гидросиликатных новообразований, «склеивающих» частицы песка и вяжущего в одно целое, а также капиллярной пористости, пропорциональной количеству воды затворения.
Большое количество капиллярных пор в бетоне, помимо снижения прочности, резко увеличивает водопоглощение материала и снижает его морозостойкость. Имеется прямая зависимость увеличения усадки материала при высыхании от количества свободной воды в растворе. Таким образом, принципиально следует стремиться к максимально возможному снижению капиллярной пористости.
Снижение капиллярной пористости достигается путем сокращения количества воды затворения. Однако, в производстве ячеистых бетонов свободная (балластная) вода имеет очень важное значение. Свободная вода в бетоне определяет его подвижность (вязкость), от подвижности рабочего раствора в производстве поризованных материалов напрямую зависит интенсивность поризации. Иными словами, чем больше свободной воды в растворе, тем интенсивней происходит его поризация. Однако, как говорилось выше основные эксплуатационные характеристики такого раствора и строительных материалов на его основе будут недопустимо снижены.
Так, где же выход из сложившейся ситуации?
В практике производства тяжелого бетона обосновано применение пластификаторов, которые позволяют повысить подвижность бетона без увеличения количества свободной воды. Но применение пластифицирующих добавок в производстве ячеистых бетонов сдерживает их негативное влияние на процессы поризации и снижение стойкости пены.
Поэтому единственным путем использования в производстве ячеистых бетонов рабочих растворов со сниженным количеством свободной воды является интенсивное динамическое воздействие на поризуемые растворы.
При производстве автоклавных ячеистых бетонов проблема снижения свободной воды (уменьшение В/Т отношения) решается путем применения погружных вибраторов и ударных площадок. Применение ударных площадок позволяет уменьшить В/Т отношение, увеличив при этом интенсивность газовыделение алюминиевой пасты.
Как говорилось выше для нормального протекания процесса вспучивания (поризации) смеси необходимо обеспечить ей оптимальную подвижность. Например, за счет тиксотропного разжижения смеси при ударной технологии формования или при литьевой за счет повышения количества воды затворения. Явление тиксотропии заключается в разрушении слабых коагуляционных структур с помощью динамического воздействия и в переводе защемленной и частично абсорбированной воды в свободное состояние. Разрушение новообразований способствует более полной гидратации цементного зерна и уменьшению непрогидротировавших зерен цемента.
Кроме того, динамические воздействия в начале процесса гидратации разрушают коагуляционную структуру, разжижают смесь, а позднее - обеспечивают уплотнение межпорового вещества, содействуют преодолению энергетического барьера между частицами и способствуют образованию кристаллизационной структуры межпоровых перегородок. И если первоначально производство автоклавных ячеистых бетонов развивалось по так называемой «литьевой» технологии, то в настоящее время наметилась явная тенденция перехода к «ударным» технологиям в производстве газобетона.
Итак, основным методом улучшения физико-механических показателей ячеистых бетонов без сомнения является снижение количества свободной воды (снижение В/Т отношения). Для поризации таких растворов необходимо применение интенсивных динамических воздействий. Интенсивные динамические воздействия увеличивают подвижность раствора и разрушают образованные коагуляционные структуры, а также способствуют более полной гидратации цементного зерна.
Описанные способы повышения эксплуатационных характеристик поризованных бетонов с успехом применялись и применяются в производстве автоклавных газобетонов. Однако до недавнего времени совершенно не использовались в практике производства неавтоклавного пенобетона.
Пенобетон, изготавливаемый при В/Т отношениях больше 0.45, хотя и имеет плотность и теплопроводность аналогичную автоклавным газобетонам, заметно проигрывает им по показателям прочности на сжатие, морозостойкости и усадки при высыхании. Отечественная промышленность до недавнего времени не выпускала оборудования, позволяющего производить пенобетон (поробетон) с пониженным содержанием свободной воды (В/Т отношение менее 0.4).
В то время как поробетон плотностью 600кг/m3, изготовленный на одностадийных вибросмесителях-активаторах, оснащенных высокочастотными бортовыми вибраторами, имеет усадку при высыхании не более 1.8-2 мм/м, морозостойкость около 35 циклов и прочность на сжатие 35кг/см2.
Иными словами, неавтоклавный поробетон по основным показателям аналогичен автоклавному газобетону. Однако, производство поробетона при В/Т отношении менее 0.4 требует гораздо меньше энергозатрат, чем газобетона аналогичной плотности и является более экономически целесообразным по приведенным затратам.
Производство поробетона при В/Т отношении менее 0.4 на одностадийных вибросмесителях-активаторах позволяет производить качественное смешивание компонентов раствора, активацию вяжущих и одновременную поризацию рабочего раствора. Высокочастотные вибраторы в этом случае исполняют функцию ударных и вибрационных площадок в производстве газобетона. Виброимпульсы разрушают новообразованные коагуляционные структуры, препятствующие контакту воды затворения с твердыми составляющими раствора, и способствуют переводу защемленной и частично абсорбированной воды в свободное состояние. Также, виброимпульсы способствуют интенсивной поризации рабочего раствора, при улучшении структуры и однородности образованных пор.
В целом, материал, приготовленный на смесителях-активаторах оснащенных высокочастотными вибраторами, отличается высокой стабильностью. Сравнительная оценка качества микроструктуры поробетона, полученного по технологии виброперемешивания, показывает, что оно находится на уровне, соответствующем оптимальной структуре бетона. Хотелось бы особенно отметить, что неавтоклавный поробетон, характеристики которого приведены выше, был получен по беспропарочной технологии, когда вызревающий материал разогревался исключительно благодаря экзотермии (тепловыделению), без каких-либо дополнительных затрат на подогрев. В производстве же газобетона автоклавного твердения задействованы автоклавы со средним расходом перегретого пара около 150кг на каждый кубический метр материала, давлением 12 Атм и температурой 180оС.
Еще одним немаловажным фактором, влияющим на основные физико-механические характеристики ячеистых бетонов, является использование качественных материалов с высокими показателями удельной поверхности. Для производства автоклавного газобетона характерны повышенные затраты на измельчение компонентов. Применяемый песок должен иметь удельную поверхность около 2000-3000 см2/г (песок очень тонкий, Мк менее 0.57), цемент 3500-4000 см2/г, известь 5000-7000 см2/г. Подобные требования к материалам подразумевают достаточно серьезные затраты, связанные с хранением, подготовкой (сушкой) и наконец организацией тонкого помола компонентов. Именно затраты на тонкий помол компонентов наряду с затратами, связанными с работой автоклавов, являются основными в производстве автоклавного газобетона.
Применение качественных материалов, имеющих высокие показатели удельной поверхности, точное соблюдение технологического регламента в производстве газобетона автоклавного твердения позволяет получать строительный материал, превосходящий по своим основным параметрам неавтоклавный пенобетон. Однако, при сравнении этих материалов одной группы (ячеистые бетоны), но различных способов тепловой обработки часто забывают, что эти материалы хотя и имеют аналогичные показатели плотности и теплопроводности диаметрально противоположны как в плане затрат на производство, так и в характере самого производства.
Авторы серии статей «Строительная лоция» сотрудники МП «ТЕХПРИБОР» Векслер М.В.
Липилин А.Б.
