Легкие бетоны на пористых заполнителях

Легкие бетоны имеют объемную массу менее 1800 кг/м3. Их изготовляют на основе быстротвердеющего и обычного портландцементов, а также шлакопортландцемента. Применяют в основном неорганические пористые заполнители.

Для теплоизоляционных и некоторых видов конструктивно-теплоизоляционных бетонов используют и органические заполнители из древесины (арболит), отходов сельскохозяйственных культур, а также из вспученных пластмасс (стиропорбетон).

Неорганические пористые заполнители отличаются большим разнообразием, и в любом экономическом районе страны можно изготовлять наиболее выгодный по технико-экономическим показателям вид заполнителя.

Природные пористые заполнители получают путем дробления и фракционирования пористых горных пород (пемзы, вулканического и известкового туфов и т. п.). Это самые дешевые заполнители, получаемые без участия термической обработки. Шлаковая пемза тоже недорога, получают ее путем вспучивания доменных шлаков.

Искусственные пористые заполнители изготовляют путем обжига вспучивающихся горных пород (керамзит, вспученный перлит, вермикулит). Для аглопорита используют разнообразное минеральное сырье (глинистые и лёссовые породы, золы, топливные шлаки и др.), которое обжигают с добавкой 8-10% измельченного каменного угля в агломерационных установках.

Легкие бетоны из всех видов бетонов отличаются своей универсальностью. Применяя различные виды пористых заполнителей и используя технологические приемы, получают бетоны различного назначения: теплоизоляционные - объемной массой 500 кг/м3 и менее; конструктивно-теплоизоляционные, предназначенные для ограждающих конструкций - стен и покрытий зданий, имеющие объемную массу до 1400 кг/м3, марки по прочности при сжатии 35-100; конструктивные объемной массой от 1400 до 1800 кг/м3, с марками по прочности 150-500 и высокой морозостойкостью (Мрз 100-300).

Качество легкого бетона определяется показателями двух самых важных его свойств: проектной маркой по прочности на сжатие и величиной объемной массы. Например, марка легкого бетона 75/1000 обозначает марку по прочности 75 при объемной массе 1000 кг/м3.

Объемная масса легкого бетона слитного (плотного) строения зависит, главным образом, от объемной массы пористого заполнителя. Наивыгоднейшее сочетание показателей объемной массы, теплопроводности и расхода цемента достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем. При этом снижается расход цемента и уменьшается содержание цементного камня, яв­ляющегося самой тяжелой составной частью легкого бетона.

Установлены следующие марки конструктивно-теплоизоляционных бетонов по объемной массе в стандартном состоянии (после высушивания при 105°С до постоянной массы): 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400. Объемная масса характеризует пористость бетона. Ее увеличение означает снижение пористости бетона, при этом возрастает прочность, но вместе с этим увеличивается тепло­проводность.

Прочность легкого бетона подчиняется общей зависимости прочности искусственного каменного материала от Ц/В и марки цемента, представленной на рисунке 1.

Зависимость прочности бетонов от Ц/В при разных марках цемента
Рисунок 1. Зависимость прочности бетонов от Ц/В при разных марках цемента.

Исследования Н.А.Попова доказали, что на легкие бетоны распространяется зависимость вида Rл.б=Ал Rц(Ц/Б=b), где Rл.б - прочность легкого бетона при сжатии; Rц- активность вяжущего; Ал и b - опытные параметры, различные для разных видов заполнителя.

В дальнейшем Н.А.Попов упростил формулу и представил ее в следующем виде: Rл.б=kRц(Ц-Цо), где Ц - расход цемента, кг/м3; k и Цо - опытные коэффициенты.

Численные значения опытных коэффициентов, входящих в формулу, изменяются в широких пределах в зависимости от вида применяемых заполнителей. Поэтому рекомендуется пользоваться для определения состава легкого бетона опытным графиком, выражающим приведенную выше зависимость от Ц/В или Ц, применительно к данным материалам.

Установлены следующие проектные марки легкого бетона по прочности на сжатие: 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400 и 500. Легкобетонные камни для стен обычно имеют марку 25 и 35. Крупные стеновые панели и блоки изготовляют из легкого бетона марок 50, 75 и 100.

Конструктивные легкие бетоны марок 150-500 получают, применяя портландцемент марок 400-600. Крупным заполнителем служит керамзитовый гравий, аглопоритовый щебень или шлако­вая пемза. Заполнитель берут более прочный и, следовательно, более плотный с объемной насыпной массой 600-800 кг/м3. В качестве мелкого заполнителя зачастую применяют кварцевый песок. Расход портландцемента назначается в зависимости от марки по прочности и поэтому колеблется в довольно широких пределах от 250 до 600 кг/м3. Объемная масса конструктивных легких бетонов с кварцевым песком доходит до 1700-1800 кг/м3, но все же она на 600-700 кг/м3 меньше, чем у тяжелого бетона. Поэтому коэффициент конструктивного качества, равный отношению прочности к объемной массе, у легкого бетона выше примерно в 1,4 (при одинаковой прочности). В силу этого конструктивный легкий бетон особенно выгодно применять взамен тяжелого бетона в железобетоных конструкциях больших пролетов (фермы, пролетное строение мостов и т. п.), где особенно эффективно снижение собственной массы конструкции. Уменьшение нагрузок от собственной массы позволяет сократить расход арматурной стали на 15-30%.

Деформативные свойства легких и тяжелых бетонов сильно различаются. Легкие бетоны на пористых заполнителях более трещиностойки, так как их предельная растяжимость в 2-4 раза выше, чем равнопрочного тяжелого бетона. Однако следует учитывать и такие особенности легких бетонов, как большие усадка и ползучесть по сравнению с тяжелым бетоном.

Теплопроводность легкого бетона зависит в основном от объемной массы и влажности. В таблице 1 приведены средние значения коэффициентов теплопроводности бетонов с сорбционной влажностью.

Увеличение влажности бетона на 1% повышает коэффициент теплопроводности на 0,01-0,03 Вт/(м*К). В зависимости от объемной массы и коэффициента теплопроводности толщина наружной стены из легкого бетона может быть от 22 до 50 см.

Долговечность бетона зависит от его морозостойкости. Для ограждающих конструкций обычно применяют легкие бетоны, выдерживающие 15-35 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Таблица 1. Коэффициенты теплопроводности легких бетонов
  Коэффициенты теплопроводности в Вт/(м*К) при средней объемной массе бетона, кг/м3
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Керамзитобетон 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Перлитобегон 0,15 0,22 0,28 0,35 0,4 0,45 0,55
Шлакопемзобетон - - - 0,35 0,4 0,5 0,6
Бетон на топливных (котельных) шлаках, аглопоритобетон и бетон на природных пористых заполнителях - 0,23 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75

Однако для стен влажных промышленных помещений, в особенности в районах с суровым климатом, требуются более морозостойкие легкие бетоны. Требования по морозостойкости еще более повышаются, если конструктивный легкий бетон предназначен для гидротехнических сооружений, мостовых и других конструкций. В этих случаях нужен легкий бетон с марками по морозостойкости Мрз50, Мрз100 и Мрз200.

Для морозостойкого легкого бетона рекомендуется применять портландцемент марок 500 и 600, изготовленный на основе клинкера с умеренным содержанием трехкальциевого алюмината (не более 7%). В качестве крупного заполнителя предпочтителен керамзитовый гравий. Его важной характеристикой являются «резервные" поры, не заполняемые водой при обычных условиях. Чем больше объем резервных пор, тем выше морозостойкость керамзита. Вода, насыщающая зерна керамзита, при замерзании расширяется и отжимается в резервные (свободные от воды) поры, не причиняя вреда самому материалу. Объем резервных пор определяется по разности между водопоглощением керамзита под вакуумом и при нормальном давлении. Морозостойкость легкого бетона сильно повышается, если вместо мелкого заполнителя, полученного дроблением керамзитового гравия, применяют обжиговый керамзитовый песок.

Морозостойкость зависит не только от качества цемента и заполнителей, но и от строения бетона. Оно должно" быть слитным, при этом цементного теста должно хватить на образование вокруг зерен пористого заполнителя оболочек, которые уменьшают водопоглощение пористого заполнителя в бетоне и увеличивают стойкость бетона. Поэтому для повышения морозостойкости легкого бетона надо принимать расход портландцемента, пользуясь рекомендациями таблицы 2.

Легкий бетон из данных материалов имеет наибольшую морозостойкость при таком оптимальном количестве воды затворения,

Таблица 2. Минимальные расходы цемента (на 1 м3 бетона) для приготовления морозостойких легких бетонов
Марка по морозостойкости (количество циклов замораживания и оттаивания) Бетон слитного строения непоризованный Бетон поризованный
неармированный армированный неармированный армированный
15 Не ограничивается
25 200 250 300 350
50 250 300 350 400
100-150 300 350 Не рекомендуется
200 350 400 То же

при котором применяемый способ уплотнения обеспечивает наиболее компактное размещение зерен твердых составляющих, что отвечает признаку минимального коэффициента выхода. Созданию оптимальной структуры и повышению морозостойкости легкого бетона способствует подбор оптимального расхода воды, а также применение гидрофобизующих добавок. При замене 5-10% воды затворения битумной эмульсией повышается удобоукладываемость бетонной смеси, уменьшается водоотделение и капиллярное всасывание. Морозостойкость возрастает при введении в бетонную смесь добавки кремнийорганических жидкостей (0,1-0,2% от массы цемента). Применяют также воздухововлекающие добавки: абиетат натрия (0,01%) и канифольное мыло (0,02-0,04%).

Опытные данные показали возможность получения легких бетонов на пористых заполнителях, которые выдерживают 400, 600 и 800 циклов попеременного замораживания и оттаивания, при снижении прочности не более чем на 25%. Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно используют в мостостроении, в гидротехническом строительстве .и даже в судостроении.

В слабоагрессивных и среднеагрессивных средах легкобетонные конструкции можно применять без специальной защиты при условии, если показатель проницаемости легкого бетона не отличается от соответствующей характеристики тяжелого бетона, эксплуатируемого в данной агрессивной среде. Применение же легких бетонов в сильноагрессивной среде разрешается лишь после опытной проверки.

Легкий бетон для несущих армированных конструкций должен быть плотным, т.е. иметь слитную структуру, при которой межзерновые пустоты крупного заполнителя были бы полностью заполнены цементным раствором. В таком плотном легком бетоне защита арматуры от коррозии не нужна. Вид цемента и добавок для легкого бетона выбирают согласно рекомендациям, принятым для тяжелых бетонов, эксплуатируемых в данных условиях. При этом необходимо нормировать минимальный расход цемента (который несколько выше, чем у тяжелых бетонов) и устанавливать оптимальную дозировку добавок, применяемых для повышения стойкости легкого бетона.

Если плотность защитного слоя легкого бетона недостаточна и он не препятствует прониканию влаги и агрессивных агентов к арматуре, принимают специальные меры по защите арматуры. Закладные металлические детали в конструкциях из легких бетонов защищают от коррозии, например, путем оцинкования.

Водостойкость плотных легких бетонов на цементе существенно не отличается от водостойкости тяжелых бетонов. Обычно уменьшение прочности легких бетонов от их кратковременного насыщения водой не превышает 15%. В воде легкие бетоны набухают больше, чем равнопрочные тяжелые бетоны.

Водонепроницаемость конструктивных легких бетонов высокая. Керамзитобетон с расходом цемента 300-350 кг/м3 не пропускает воду даже при давлении 2МПа. Малая водопроницаемость легких бетонов подтверждается долголетней эксплуатацией гидротехнических сооружений в Армении и Грузии, а также испытанием напорных труб. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается.

Другие документы раздела производства блоков: