Главная → Статьи

Легкие бетоны

Существенный недостаток обычно тяжелого бетона — большая плотность (2400…2500 кг/м ).

Снижая плотность бетона, строители достигают как минимум двух положительных результатов:
— уменьшается масса строительных конструкций;
— повышаются их теплоизоляционные свойства.

Легкие бетоны (в начале XX в. их называли «теплые бетоны») — бетоны с плотностью менее 1800 кг/м —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 кладки 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 В3,5, плотность —600…1400 кг/м3);
— теплоизоляционные — особо легкие (плотность < 600 кг/м ).

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.

Теория легких бетонов. Легкие бетоны существенно отличаются от тяжелых тем, что пористые заполнители при приготовлении бетонной смеси 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 заполнителе возможно только при правильном подборе зернового состава крупно го и мелкого заполнителей с одновременным использованием технологических факторов (пластификаторов и интенсивного уплотнения), обеспечивающих плотную упаковку зерен.

Показателем плотности упаковки зерен в бетонной смеси служит коэффициент выхода (3, определяемый как отношение объема бетонной смеси V6c к сумме объемов (в рыхло-насыпном состоянии) цемента Vu, мелкого Vu и крупного VK заполнителей.

Коэффициент выхода всегда меньше единицы и составляет 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.

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», 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.

Твердение цемента в легких бетонах происходит в более благоприятных условиях, чем в тяжелом бетоне, так как заполнитель, поглотивший воду во время приготовления смеси, служит 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 веществ, из которых состоят заполнители. Содержащийся в них аморфный Si02 способен 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.

По плотности (кг/м ) для легкого бетона установлено 19 марок — от D200 до D2000 (с интервалом 100 кг/м3) (D — от англ. density). Пониженная плотность легких бетонов может быть достигнута поризацией цементного камня.

Теплопроводность легкого бетона зависит от его плотности и влажности. Увеличение объемной влажности на 1% повышает теплопроводность бетона на 0,015…0,035 Вт/(м * К).

Морозостойкость легких бетонов при их пористой структуре довольно высокая. Рядовые легкие бетоны имеют морозостойкость в пределах F25…F100. Для специальных целей могут быть получены легкие бетоны с морозостойкостью F200, F300 и F400.

Водонепроницаемость у легких бетонов высокая и увеличивающаяся по мере твердения бетона за счет уплотнения контактной зоны «цементный камень — заполнитель», являющейся самым уязвимым местом для проникновения воды в обычном бетоне. Установлены следующие марки легких бетонов по водонепроницаемости: W0,2; WO,4; WO,6; WO,8; Wl; Wl,2 (давление воды, МПа, не вызывающее фильтрации при стандартных испытаниях).

Ячеистые бетоны на 60…85 % по объему состоят из замкнутых пор (ячеек) размером 0,2…2 мм. Ячеистые бетоны получают при затвердевании насыщенной газовыми пузырьками смеси вяжущего кремнеземистого компонента и воды. Благодаря высокопористо структуре средняя плотность ячеистого бетона невелика -300… 1200 кг/м ; он имеет низкую теплопроводность при достаточно’ 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 пеносиликатами.

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 про-паривания (1 = 85…90 °С) и автоклавной обработки (1 = 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-газообразователем и вяжущим. Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород:
ЗСа(ОН)2 + 2А1 + 6Н20 -» ЗСаО А1203 -6Н20 + Н2 Т

Согласно уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой пудры выделит до 1,25 м водорода, т. е. для получения 1 м 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.

Пористость ячеистых бетонов — 60…85 %. Характер пор — замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевшего цементного камня, который сам пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха поры в таком бетоне замкнуты, а для проникновения воды — открыты. Поэтому водопоглоще-ние ячеистого бетона довольно высокое и морозостойкость соответственно пониженная по сравнению с бетонами слитной структуры.

Бетонополимеры — бетоны, поры которых заполнены полимерами. Для достижения этого эффекта затвердевшие и высушенные бетонные элементы пропитывают жидкими мономерами или олиго-мерами, которые затем полимеризуются в порах бетона, переходя в твердое состояние.

После такой обработки бетон приобретает высокую прочность до 100…200 МПа, полную водонепроницаемость и очень высокую морозостойкость (F500 и выше).

В настоящее время этот метод применяют для восстановления гидроизоляционных свойств у бетонных и других каменных (например, кирпичных) конструкций. Для этого пропускающие воду бетонные конструкции пропитывают мономером, отверждающимся в порах и трещинах материала. Разработаны пропитывающие составы, проникающие во влажный бетон и вытесняющие из него воду.

Полимербетоны — бетоны, в которых вместо минерального вяжущего используется полимерное. Вяжущим, как правило, служат жидковязкие олигомеры (например, эпоксидные и полиэфирные смолы).

Смола играет роль и вяжущего, и воды, обеспечивая удобоукладываемость бетонной смеси. Твердение полимербетонов происходит в результате сшивки олигомера до состояния пространственного полимера.

Полимерные вяжущие придают бетону специфические свойства:
— высокую и универсальную химическую стойкость (самое важное свойство полимербетонов);
— высокую прочность (50…100 МПа) при нормальных температурах;
— водостойкость и водонепроницаемость;
— высокую износостойкость;
— низкую теплостойкость (до 100…300 С).

Для получения полимербетонов главным образом применяют < эпоксидные и полиэфирные олигомеры (смолы). Для снижения расхода дорогого полимерного вяжущего в него вводят тонкомолотый 1 минеральный порошок (кварц, мрамор, полевые шпаты и т. п.).

Отверждаются полимербетоны с помощью специальных веществ — отвердителей: для эпоксидной смолы обычно используют амины, а для полиэфирных смол — перекиси совместно с ускорителями. Более полного и быстрого отверждения можно добиться нагревом до 60…90 °С. После отверждения полимербетоны становятся биологически инертными материалами.

Используют полимербетоны главным образом в химической промышленности, в конструкциях, где необходима высокая химическая стойкость, и при ремонте облицовок и изделий из декоративных горных пород (например, восстановление изношенных гранитных ступеней в метро). Используя отходы различной крупности, образующиеся при обработке декоративных горных пород, на полимерных вяжущих делают плиты и блоки. Эти блоки и плиты можно распиливать и обрабатывать как цельный природный камень. Полимерные вяжущие при этом наполняют порошком из горной породы, чтобы слои вяжущего не были заметны.

Кроме того, из таких бетонов делают подоконные плиты, прилавки в магазинах и даже санитарно-технические приборы (раковины, ванны, джакузи и т. п.). Цвет полимербетонов может быть любой: они хорошо окрашиваются различными пигментами (в том числе и органическими). При этом полимербетон защищает пигменты от агрессивных воздействий внешней среды.

Асфальтовые бетоны — бетоны, широко применяемые в дорожном строительстве и в обиходной жизни часто, но не совсем верно называемые асфальтом.

Термин «асфальт» (от греч. asphaltos — горная смола) имеет два значения:
— пористая (известняк и т. п.) или рыхлая (песок и т. п.) горная порода, пропитанная природным битумом (содержание битума 2…20%);
— искусственная смесь тонкоизмельченного минерального наполнителя (известнякового порошка) с битумом (12…60%).

Природные асфальты применялись еще в глубокой древности для гидроизоляционных и дорожных работ. Искусственный асфальт используется как вяжущее для приготовления асфальтовых бетонов. Роль минерального порошка в таком вяжущем заключается не только в снижении расхода битума, но и в повышении температуры его размягчения. Это важно, например, для сохранения прочности асфальтобетона в летнее время.

Асфальтовые растворы — смесь асфальтового вяжущего с песком. Расход вяжущего — асфальта — должен быть таким, чтобы заполнить пустоты в песке с некоторым избытком (15…20%), необходимым для обволакивания песчинок.

Асфальтовые бетоны можно представить как смесь асфальтового раствора и крупного заполнителя; в этом случае количество асфальтового раствора берут таким, чтобы заполнить пустоты в щебне с некоторым избытком (10… 15%) для получения плотного бетона.

Плотность асфальтобетона — важная характеристика. Обычно пористость асфальтобетона — 5…7%. Чем выше пористость, тем меньше долговечность асфальтобетона, так как при этом возрастает водопоглощение, снижается коррозионная стойкость и морозостойкость (последнее — главный фактор разрушения дорожных покрытий). Плотные асфальтобетоны (пористость < 5%) практически водонепроницаемы и могут применяться как гидроизоляционный материал.

В отличие от бетонов на минеральных вяжущих прочность асфальтовых бетонов и растворов заметно изменяется при колебаниях температуры. Так, если при —15 “С прочность асфальтобетона составляет 15…20МПа, то при+20 °С — 2…3 МПа, а при +50 °С — только 0,8…1,2 МПа. При этом снижается модуль упругости и возрастает ползучесть асфальтобетона.

Асфальтовые бетоны значительно более стойки к коррозионным воздействиям, чем цементные, но боятся воздействий жидких топлив и масел. Износостойкость асфальтовых бетонов выше, чем цементных.

Асфальтовые бетоны и растворы применяют для устройства верхних покрытий дорог, аэродромов, полов промышленных зданий, плоских кровель, стяжек, а также в гидротехнике для создания гидроизоляционных слоев и экранов и заполнения компенсационных швов.

Технология асфальтобетона.

Для получения пластичной удобоукладываемой асфальтобетонной смеси используют два метода: – нагрев смеси до 140…170 °С для полного разжижения битума; – приготовление смеси на жидких битумах, гудронах (с последующим их отвердеванием за счет испарения летучих компонентов) или на битумных эмульсиях (отвердевание происходит после испарения воды).

Лучшее качество имеют «горячие» асфальтобетоны.

Укладывают и уплотняют асфальтобетонные смеси при помощи специальных асфальтоукладчиков и тяжелых катков. При малых объемах работ возможно ручное уплотнение.

Долговечность асфальтобетонного покрытия во многом зависит от качества укладки и обеспечения его сцепления с нижележащими слоями; на долговечность существенно влияет также качество основания.

Бетоны, аналогичные асфальтовым, могут быть получены на дегтевых вяжущих, но их использование разрешено лишь для дорожных покрытий вне населенных пунктов.

Для повышения качества асфальтобетонов битумы модифицируют полимерами (полиэтиленом, полипропиленом, синтетическими каучуками); для этой цели рационально использовать вторичное полимерное сырье и промышленные отходы.

Серный бетон — аналог асфальтобетона, в котором в качестве вяжущего вместо битума используют элементарную серу, модифицированную пластификаторами. Сера при обычной температуре представляет собой плотное кристаллическое вещество, плавящееся при 120 °С. Она нерастворима в воде и водных растворах солей и кислот. Нагретая до 140… 160 °С сера представляет собой желтую подвижную жидкость. Для получения серного бетона расплавленную серу смешивают с нагретым до 140…150 °С заполнителем (щебнем, песком и минеральным порошком). Твердение этой смеси происходит в результате остывания.

Прочность при сжатии серного бетона 50…60 МПа, а при изгибе <10 МПа; водонепроницаемость — W2,0. Серный бетон отличается низкой пористостью (менее 1%), низким водопоглощением (менее 0,5%) и высокой химической стойкостью к растворам солей и минеральных кислот (кроме концентрированных кислот — окислителей). В растворах щелочей он нестоек. При температуре 120 °С серный бетон плавится, а при воздействии открытого огня сера горит. Применяют серный бетон для изготовления труб промышленной канализации, емкостей для хранения кислот, полов промышленных зданий, плит настилов мостов и т. п.

—

Легкие бетоны относят к наиболее распространенным материалам для изготовления несущих, ограждающих и теплоизоляционных конструкций. Из легких бетонов чаще применяют бетоны на пористых заполнителях и ячеистые.

Легкие бетоны на пористых заполнителях выпускают марок по средней плотности D800…D2000, классов по прочности на сжатие — от В2,5 до В40. Из такого бетона получают и более легкие конструкции, чем из тяжелого. Теплопроводность легкого бетона гораздо ниже. Благодаря этому в наружных ограждающих конструкциях из легкого бетона не устраивают дополнительного теплоизоляционного слоя, как это деЛают в конструкциях из тяжелого бетона.

Легкобетонные смеси отличаются от обычных более низкой удобоукладываемостью как при недостатке, так и избытке воды затворения. Если расход воды меньше оптимального, то пластичность цементного теста недостаточна для сближения составляющих смеси и образования плотной (слитной) структуры. Избыток воды вызывает расслоение бетонной смеси и, как следствие, неоднородность свойств бетона в разных зонах бетонируемой конструкции.

Ячеистый бетон получают в результате затвердевания предварительно вспученной смеси вяжущего вещества, кремнеземистого компонента и воды. Для вспучивания смеси вводят в нее небольшое количество порообразователя. Образующаяся при этом структура характеризуется большим количеством воздушных пор-ячеек диаметром от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Такую структуру называют ячеистой. Благодаря большой пористости ячеистый бетон обладает малой плотностью и теплопроводностью.

Это делает его эффективным материалом для ограждающих конструкций — наружных стен, покрытий зданий, где используют хорошие теплозащитные свойства бетона.

В качестве вяжущего применяют портландцемент (для цементного ячеистого бетона) или молотую негашеную известь (для бесцементного, или силикатного бетона). Кремнеземистый компонент вводят в бетон в виде молотого кварцевого песка, пылевидной золы ТЭС либо молотого гранулированного шлака.

По способу образования ячеистой структуры различают газобетон и пенобетон. Для получения газобетона вводят в сырьевую массу газообразователь (алюминиевую пудру). Ячеистая структура пенобетона образуется при механическом смешивании теста вяжущего с устойчивой технической пеной.

—

В этом параграфе кроме описания легких бетонов объемной массой от 500 до 1800 кг/м3 приведены сведения и о бетонах облегченных — объемной массой 1800—2200 кг/м3, а также об особо легких

Жетонах, объемная масса которых менее 500 кг/м3. К числу последних относятся бетоны на пористых заполнителях, крупнопорис-тые и ячеистые.

По назначению легкие бетоны бывают теплоизоляционные (утеплители — объемная масса менее 500 кг/м3); конструктивно-теплоизоляционные (объемная масса от 500 до 1400 кг/м3), используемые для сооружения стен и перекрытий; конструктивные (объемная масса более 1400 кг/м3) для изготовления несущих строительных конструкций.

Основными свойствами легких бетонов являются пористость, их объемная масса, прочность, теплопроводность, водопоглощение и морозостойкость. Состав бетона заданной характеристики подбирают экспериментальным путем с последующим испытанием контрольных образцов. Свойства легких бетонов в основном зависят от количества вяжущего, объемной массы бетона, зернового состава и характеристик заполнителей, а также от наличия и характера пор в бетоне.

Бетон на пористых заполнителях представляет собой материал плотной структуры на цементном вяжущем с применением крупных пористых заполнителей.

Заполнителями служат керамзитовый гравий и песок, вулканический туф, пемза, аглопорит, шлаки обычные и гранулированные, вспученные перлит и вермикулит. Пористые заполнители по крупности разделяются на мелкие (песок) размером зерен до 5 мм и крупные (щебень или гравий) трех фракций: 5—10, 10—20 и 20— 40 мм. По объемной массе (кг/м3) пористые заполнители делятся на марки: 5, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800. 1000 и 1200. В табл. приведены основные свойства легких бетонов на пористых заполнителях.

Крупнопористый бетон имеет незаполненные раствором пустоты между зернами крупного заполнителя. Приготовляют его как на пористых, так и на плотных заполнителях с добавкой небольшого количества песка либо беспесчаньш. Объемная масса от 500 до 2200 кг/м3.

Ячеистый бетон — разновидности легких и особо легких бетонов, строение которых характеризуется наличием значительною количества искусственно созданных условно-замкнутых пор размером 0,5—2 мм, заполненных воздухом или газом. Эти мелкие воздущ. ные поры равномерно распределены в теле бетона, разделены тонкими прочными перегородками из затвердевшего вяжущего и образуют каркас материала. В объеме ячеистого бетона до 85% пор замкнутого сечения диаметром 1—2 мм. В зависимости от способа получения пористой структуры ячеистые бетоны делятся на пено- и га-зобетоны. По виду применяемого вяжущего различают пенобетоны и газобетоны на основе портландцемента; газосиликаты и пеносиликаты на воздушной извести; газогипсы и пеногипсы на гипсовом вяжущем. По условиям твердения ячеистые бетоны бывают автоклавного и безавтоклавного твердения.

Пенообразователями пенобетона являются канифольное мыло, животный клей, мыльный корень, препарат гидролизованной крови, а газообразователями — алюминиевая пудра или водный раствор перекиси водорода Н202 (перегидроль).

Ячеистые бетоны обладают высокой огнестойкостью, хорошей звукоизоляцией, малой теплопроводностью. К отрицательным качествам следует отнести высокое водопоглощение 20—30% (по массе) и более низкую морозостойкость, чем у бетонов на пористых заполнителях. Объемная масса ячеистых бетонов от 300 до 1200 кг/м3.

Поризованный бетон — это бетон на цементном вяжущем, у которого пространство между зернами заполнителя занято затвердевшим вяжущим, поризованным пено- и газообразователями. Его объемная масса от 500 до 2200 кг/м3.

Легкие бетоны находят все большее применение в практике строительства. Особенно широкое распространение получил керам-зитобетон, так как из этого материала изготовляют конструкции крупнопанельных домов, стеновые панели промышленных зданий, а также несущие конструкции зданий и сооружений. Использование легких бетонов — одно из основных направлений индустриализации строительства, способствующее снижению массы зданий, транспортных расходов и экономии строительных материалов.

Ваш отзыв