§ 4. Ячеистый бетон

Ячеистый бетон является разновидностью легкого бетона, его получают в результате затвердевания вспученной при помощи порообразователя смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и воды. При вспучивании исходной смеси образуется характерная «ячеистая» структура бетона с равномерно распределенными по объему воздушными порами. Благодаря этому ячеистый бетон имеет небольшую объемную массу и малую теплопроводность.

Пористость ячеистого бетона сравнительно легко регулировать в процессе изготовления, в результате получают бетоны разной объемной массы и назначения. Ячеистые бетоны делят на три группы: теплоизоляционные объемной массой в высушенном состоянии не более 500 кг/м3; конструкционно-теплоизоляционные (для ограждающих конструкций) объемной массой 500 — 900 кг/3; конструкционные (для железобетона) объемной массой 900 — 1200 кг/м3.

Материалы для ячеистого бетона. Вяжущим для цементных ячеистых бетонов обычно служит портландцемент. Бесцементные ячеистые бетоны (газо- и пеносиликат) автоклавного твердения изготовляют, применяя молотую негашеную известь.

Вяжущее применяют совместно с кремнеземистым компонентом, содержащим двуокись кремния.

Кремнеземистый компонент (молотый кварцевый песок, зола-унос ТЭС и молотый гранулированный доменный шлак) уменьшает расход вяжущего, усадку бетона и повышает качество ячеистого бетона. Кварцевый песок обычно размалывают мокрым способом и применяют в виде песчаного шлама. Измельчение увеличивает удельную поверхность кремнеземистого компонента и повышает его химическую активность. Встречается тонкодисперсный природный кварц — маршаллит с частицами 0,01 — 0,06 мм.

Возрастает применение побочных продуктов промышленности {золы-уноса, доменных шлаков, нефелинового шлама) для изготовления ячеистого бетона.

Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливают опытным путем. При перемешивании материалов в смесителе получают исходную смесь — тесто, состоящее из вяжущего, кремнеземистого компонента и воды.

Вспучивание теста вяжущего может осуществляться двумя способами: 1) химическим, когда в тесто вяжущего вводят газообразующую добавку и в смеси происходят химические реакции, сопровождающиеся выделением газа; 2) механическим, заключающимся в том, что тесто вяжущего смешивают с отдельно приготовленной устойчивой пеной.

В зависимости от способа изготовления ячеистые бетоны делят на газобетон и пенобетон. У нас и за рубежом развивается производство преимущественно газобетона. Его технология более проста и позволяет получить материал пониженной объемной массы со стабильными свойствами. Пена же не отличается стабильностью, что вызывает колебания объемной массы и прочности пенобетона.

Газобетон и газосиликат. Газобетон приготовляют из смеси портландцемента (часто с добавкой воздушной извести или едкого натра), кремнеземистого компонента и газообразователя.

По типу химических реакций газообразователи делят на следующие виды: вступающие в химическое взаимодействие с вяжущим или продуктами его гидратации (алюминиевая пудра); разлагающиеся с выделением газа (пергидроль Н2О2); взамодействующие между собой и выделяющие газ в результате обменных реакций (например, молотый известняк и соляная кислота).

Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом окиси кальция, выделяет водород по реакции

ЗСа(ОН)2 + 2А1 + 6Н20 = ЗН2 f + ЗСаО А1203 • 6Н20

Согласно уравнению химической реакции 1 кг алюминиевой пудры выделит в нормальных условиях 1,245 м3 водорода. При повышении температуры объем газа возрастает и, например, при 40°С составит 1,425 м3. На практике расходуется большее количество алюминиевой пудры, так как она содержит менее 100% активного алюминия и, кроме того, часть газа теряется в процессе перемешивания и вспучивания раствора.

Коэффициент газоудержания обычно составляет 0,7 — 0,85; на изготовление 1 м3 ячеистого бетона объемной массой 600 — 700 кг/м3 расходуется 0,4 — 0,5 кг алюминиевой пудры.

Алюминиевую пудру вводят в виде суспензии, для придания пудре гидрофильных свойств ее обрабатывают водным раствором поверхностно-активного вещества (СДБ, канифольного мыла и др.).

Литьевая технология предусматривает отливку изделий, как правило, в отдельных формах из текучих смесей, содержащих до 50 — 60% воды от массы сухих компонентов (водотвердое отношение В/Т=0,5 — 0,6). При изготовлении газобетона применяемые материалы — вяжущее, песчаный шлам и вода, дозируют и подают в самоходный газобетоносмеситель, в котором их перемешивают 4 — 5 мин; затем в приготовленную смесь вливают водную суспензию алюминиевой пудры и после последующего перемешивания теста с алюминиевой пудрой газобетонную смесь заливают в металлические формы на определенную высоту с таким расчетом, чтобы после вспучивания формы были заполнены доверху.

Избыток смеси («горбушку») после схватывания срезают проволочными струнами. Для ускорения газообразования, а также процессов схватывания и твердения применяют «горячие» смеси на подогретой воде с температурой в момент заливки в формы около 40°С.

Тепловую обработку ячеистого бетона производят преимущественно в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при температуре 175 — 200°С и давлении 0,8 — 1,3 МПа. Автоклавы представляют собой герметически закрывающиеся цилиндры диаметром до 3,6 м и длиной до 32 м. Во влажной среде и при повышенной температуре кремнеземистый компонент проявляет химическую активность и вступает в соединение с гидроокисью кальция с образованием гидросиликатов кальция, придающих ячеистому бетону повышенную прочность и морозостойкость.

Автоклавную обработку производят по определенному режиму с учетом типа и массивности изделий. Чтобы не появились трещины в изделиях, предусматривают плавный подъем и спуск температуры и давления (в течение 2 — 6 ч); время выдержки изделий при максимальной температуре составляет 5 — 8 ч.

Вибрационная технология газобетона заключается в том, что во время перемешивания в смесителе и вспучивания в форме смесь подвергают вибрации. Тиксотропное разжижение, происходящее вследствие ослабления связей между частицами, позволяет уменьшить количество воды затворения на 25 — 30% без ухудшения удобоформуемости смеси. В смеси, подвергающейся вибрированию, ускоряется газовыделение — вспучивание заканчивается в течение 5 — 7 мин вместо 15 — 20 мин при литьевой технологии. После прекращения вибрирования газобетонная смесь быстро (через 0,5 — 1,5 ч) приобретает структурную прочность, позволяющую разрезать изделие на блоки, время автоклавной обработки также сокращается.

Разработаны новые технологические приемы изготовления ячеистого бетона из холодных смесей (с температурой около 20°С) с добавками поверхностно-активных веществ и малым количеством воды. Такой газобетон на цементе после обычного пропаривания при атмосферном давлении достигает прочности автоклавного бетона, изготовленного по литьевой технологии, что дает большой экономический эффект.

Принципы вибрационной технологии разработаны советскими учеными.

Резательная технология изготовления изделий из ячеистого бетона предусматривает формование вначале большого массива (объемом 10 — 12 м3, высотой до 2 м). После того как бетон наберет структурную прочность, массив разрезают в горизонтальном и вертикальном направлениях на прямоугольные элементы, а затем подвергают тепловой обработке. Полученные элементы калибруют на специальной фрезерной машине, а затем отделывают их фасадные поверхности.

Из готовых элементов, имеющих точные размеры, собирают на клею плоские или объемные конструкции, используя стяжную арматуру. Таким путем получают большие стеновые панели размером на одну или две комнаты и высотой на этаж.

Газосиликат автоклавного твердения в отличие от газобетона изготовляют на основе известково-кремнеземистого вяжущего, используя местные дешевые материалы — воздушную известь и песок, золу-унос и металлургические шлаки. Соотношение между известью и молотым песком колеблется от 1:3 до 1:4,5 (по массе), при этом извести расходуется 120 — 180 кг на 1 м3 газосиликата. Изделия из газосиликата приобретают нужную прочность и морозостойкость только после автоклавной обработки, обеспечивающей химическое взаимодействие между известью и кремнеземистым компонентом и образование нерастворимых в воде гидросиликатов кальция.

Пенобетон и пеносиликат. Пенобетон приготовляют, смешивая раздельно приготовленные растворную смесь и пену, образующую воздушные ячейки. Растворную смесь получают из вяжущего (цемента или воздушной извести) кремнеземистого компонента и воды, как и в технологии газобетона.

Пену приготовляют в лопастных пеновзбивателях или центробежных насосах из водного раствора пенообразователей, содержащих поверхностно-активные вещества. Применяют гидролизованную кровь (ГК), клееканифольный, смолосапониновый, алюмосульфонафтеновый и синтетические пенообразователи. Стабилизаторами пены служат добавки раствора животного клея, жидкого стекла или сернокислого железа; минерализаторами же являются цемент и известь.

Из бункера, перемещающегося вдоль фронта форм-вагонеток, пенобетонная смесь поступает в формы. Для сокращения времени выдержки и ускорения оборачиваемости форм добавляют хлористый кальций, поташ и другие вещества, ускоряющие структурообразование.

Свойства ячеистых бетонов. Прочность и объемная масса являются главными показателями качества ячеистого бетона. Объемная масса, колеблющаяся от 300 до 1000 кг/м3, косвенно характеризует пористость ячеистого бетона (соответственно 85 — 60%). Поэтому зависимость свойств бетона от объемной массы, представленная на рис. 101, выражает, в сущности, влияние пористости. Возрастание объемной массы ячеистого бетона с 300 до 1200 кг/м3 сопровождается, как видно из рис. 101, закономерным увеличением его прочности и теплопроводности.

Марка ячеистого бетона по прочности обозначает предел прочности при сжатии базовых кубов с ребром 150 мм, имеющих среднюю влажность 10±2% (по массе). Контрольные образцы испытывают не ранее 12 ч после тепловлажностной обработки, а при естественном твердении — через 28 суток выдерживания в нормальных температурно - влажностных условиях (влажность 90± ±5%, температура 20 ± ±2°С).

Установлены следующие марки ячеистых бетонов по прочности при сжатии: Ml5, М25, М35, М50, М75, Ml00, М150.

Водопоглощение и морозостойкость зависят от величины и характера пористости ячеистого бетона и плотности перегородок между макропорами (ячейками). Для снижения водо-

поглощения и повышения морозостойкости стремятся к созданию ячеистой структуры с замкнутыми порами. Этому способствует вибрационная технология, так как при вибрации газобетонной смеси разрушаются крупные ячейки, снижающие морозостойкость и однородность материала.

Установлены следующие марки ячеистого бетона по морозостойкости: Мрз15, Мрз25, Мрз35, Мрз50, Мрз75, Мрз100. Для панелей наружных стен применяют ячеистый бетон марок Мрз15, Мрз25 в зависимости от влажности атмосферы в помещениях и климатических условий. Более высокая морозостойкость требуется от конструкционного ячеистого бетона, подвергающегося многократному замораживанию и оттаиванию.

Теплопроводность ячеистого бетона зависит от объемной массы и влажности.

Удельная теплоемкость ячеистого бетона составляет в среднем 0,84 кДж/(кг-°С).

Применяют ячеистые бетоны для легких железобетонных конструкций и теплоизоляции. Широко распространены конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные ячеистые бетоны. Из них изготовляют панели наружных стен и покрытий зданий, неармированные стеновые и теплоизоляционные блоки, камни для стен. Конструкции из ячеистых бетонов долговечны в зданиях с сухим и нормальным режимами помещений при относительной влажности воздуха 60 — 70%.

Для защиты от коррозии стальную арматуру покрывают цементно-битумной или цементно-полистирольной обмазкой.