Расчет состава тяжелого и легкого бетона

Расчет состава тяжелого и легкого бетона

бетон тяжелый легкий щебень песок

1. Общие положения

1.1 Сырьевые материалы для приготовления бетонов

2. Проектирование подбора состава тяжелого бетона

2.1 Тяжелый бетон с химической добавкой, характеристика добавки С-3+ЧСЩ

2.2 Исходные данные для подбора состава тяжелого бетона

2.2.1 Лабораторный состава тяжелого бетона

2.2.2 Производственный состав бетона

2.2.3 Расчет состава тяжелого бетона с химической добавкой

3. Легкий бетон

3.1 Общие сведения о легком бетоне

3.2 Исходные данные при проектировании состава легких бетонов

3.3 Расчет состава легкого бетона

4. Ячеистый бетоны

4.1 Ячеистые теплоизоляционные бетоны Литература

Бетон — один из древнейших строительных материалов. Из него построены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н.э.), часть Великой Китайской стены (III в. до н.э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах.

Однако использование бетона и железобетона для массового строительства началось только во второй половине XIX в., после получения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале бетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений. Применялись жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, армированного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надлежащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции. Однако применение подобных смесей затрудняло получение бетона высокой прочности, требовало повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижением явилось появление в 30-х годах XX века способа уплотнения бетонной смеси вибрированием, что позволило обеспечить хорошее уплотнение малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне, повысить его прочность и долговечность.

Современное строительство немыслимо без бетона. 2 млрд. м³ в год — таков сегодня мировой объем его применения. Это один из самых массовых строительных материалов во многом определяющий уровень развития цивилизации. Вместе с тем, бетон — самый сложный искусственный композиционный материал, который может обладать совершенно уникальными свойствами. Он применяется в самых разных эксплуатационных условиях, гармонично сочетается с окружающей средой, имеет ограниченную сырьевую базу и сравнительно низкую стоимость. К этому следует добавить высокую архитектурно-строительную выразительность, сравнительную простоту и доступность технологии, возможность широкого использования местного сырья и утилизации техногенных отходов при его изготовлении, малую энергоемкость, экологическую безопасность и эксплуатационную надежность. Именно поэтому бетон, без сомнения, останется основным конструкционным материалом и в обозримом будущем.

Последние десятилетия двадцатого века ознаменовались значительными достижениями в технологии бетона. В эти годы появились и получили широкое распространение новые эффективные вяжущие, модификаторы для вяжущих и бетонов, дополнительные минеральные добавки и наполнители, армирующие волокна, новые технологические приемы и методы получения строительных композитов.

Все это позволило не только создать и освоить производство новых видов бетона, но и значительно расширить номенклатуру применяемых в строительстве материалов: от суперлегких теплоизоляционных (с плотностью менее 100 кг/м³) до высокопрочных конструкционных (с прочностью на сжатие около 200 МПа). Сегодня в строительстве применяется более тысячи различных видов бетона, и процесс создания новых бетонов интенсивно продолжается. Бетон широко используется в жилищном, промышленном, транспортном, гидротехническом, энергетическом и других видах строительства.

1. Общие положения

Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого или крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих веществах. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведение при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций. В качестве заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют 85…90%, а цемент 10…15% от массы бетона. Для снижения плотности бетона и улучшения его теплотехнических свойств используют искусственные и природные пористые заполнители.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки и активные минеральные компоненты, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, регулируют собственные деформации бетона, возникающие при его твердении, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона.

С увеличением возраста бетона повышаются его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды. Свойства бетона определяются не только его составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и укладки бетонной смеси в конструкцию, условиями твердения бетона. Все эти факторы учитывают при проектировании состава бетона и производстве конструкций на его основе.

На органических вяжущих веществах (битум, синтетические смолы и т. д.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов. Многообразие вяжущих веществ, заполнителей, добавок активных минеральных компонентов и технологических приемов позволяет получать бетоны с самыми разнообразными свойствами.

Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в несколько раз выше прочности при растяжении. Для восприятия растягивающих напряжений бетон армируют стальными стержнями, получая железобетон. В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения.

Бетон предохраняет арматуру от коррозии.

Тяжелый бетон классифицируется по плотности на тяжелый, плотностью от 2000 до 2600 кг/м³ и особенно тяжелый, плотностью больше 2600 кг/м³. Марка тяжелого бетона по прочности на сжатие может достигать от М 50 до М 800, а класс бетона от В 3,5 до В 60.

Бетонные и железобетонные конструкции изготовляют либо непосредственно на месте строительства — монолитный бетон и железобетон, либо на заводах и полигонах с последующим монтажом на строительной площадке — сборный бетон и железобетон.

1.1 Сырьевые материалы для приготовления бетонов

В зависимости от вида, назначения и особенностей эксплуатации бетонов, а также бетонных изделий применяются различные вяжущие вещества.

Применяются следующие виды цемента [3, 4]:

— портландцемент ПЦ;

— портландцемент быстродействующий БПЦ;

— портландцемент с минеральными и пластифицирующими добавками [5];

— шлакопортландцемент с добавками доменного граншлака в количестве 21…60% ШПЦ [5];

— шлакопортландцемент быстродействующий.

Заполнители занимают в бетоне до 80% объема и оказывают влияние на свойства бетона, его долговечность и стоимость.

Введение

в бетон заполнителей позволяет резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим компонентом. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона. Заполнители создают в бетоне жесткий скелет и примерно в 10 раз, по сравнению с цементным тестом уменьшает усадку бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона — необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Заполнители создают в бетоне жесткий скелет и примерно в 10 раз по сравнению с цементным тестом уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материала.

Пористые естественные и искусственные заполнители, обладая малой плотностью, уменьшают плотность легкого бетона, улучшают его теплотехнические свойства. В специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и др.) роль заполнителя очень высока, так как его свойства во многом определяют специальные свойства этих бетонов.

В бетоне применяют крупный [7, 8] и мелкий заполнитель [9, 10]. Крупный заполнитель (более 5 мм) подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем в бетоне является естественный или искусственный песок.

Заполнители для бетонов бывают различных видов, природные или искусственные: песок, щебень, гравий. Их свойства регламентируются соответствующими ГОСТами, техническими условиями, другими нормативными документами.

Щебень гранитный должен соответствовать требованиям ГОСТ 8267–93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия», ДСТУ Б.В.2.7−75−98 «Щебень и гравий плотные природные для строительных материалов, изделий, конструкций и работ. Технические условия» .

В качестве мелкого заполнителя применяется кварцевый песок, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736–93 «Песок для строительных работ. Технические условия», ДСТУ Б.В.2.7−32−95 «Пісок щільний природний для будівельних матеріалів, виробів, конструкцій і робіт» .

Различают рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров, и фракционированный, когда зерна заполнителя разделены на отдельные фракции, включающие зерна близких между собой размеров, например 5…10 мм или 20…40 мм. Заполнитель характеризуется наименьшей и наибольшей крупностью, под которыми понимают размеры наименьших или наиболее крупных зерен заполнителя.

Вода. Источником для приготовления бетонной смеси является обычная питьевая вода. Качество воды удовлетворяет требованиям ГОСТ 23 732–80 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия» .

Добавки («ДСТУ Б В.2.7−65−97. Будівельні матеріали. Добавки для бетонів і будівельних розчинів. Класифікація. Для улучшения физико-механических свойств бетонов и растворов, а также по технико-экономическим соображениям широко применяют различные добавки к вяжущим. Вводят их в бетономешалку в виде сухих порошков или водных суспензий и растворов.

В зависимости от назначения добавки делят на активные, минеральные, добавки-наполнители, поверхностно-активные, пенои газообразователи, ускорители твердения и замедлители схватывания, противоморозные.

Одним из важнейших направлений, совершенствования технологии бетона и железобетона являются применение химических добавок, обеспечивающих сокращение расхода цемента, энерго и трудоемкости технологических процессов.

2. Проектирование подбора состава тяжелого бетона

Все расчеты выполняются в соответствии с методическими рекомендациями.

Цель работы — установить рациональный расход материалов на 1 м³ бетонной смеси при котором наиболее экономично обеспечивается получение удобоукладываемой бетонной смеси и заданной прочности бетона, а в ряде случаев необходимой морозостойкости, водонепроницаемости и специальных свойств бетона. При правильно подобранном составе цементное тесто занимает 22…34% объема бетона, а объем заполнителей соответственно составляет 66…78%.

Подбор состава бетона предусматривает получение заданных свойств бетона при минимальных затратах сырьевых ресурсов.

Наиболее распространенный метод расчета состава бетона для обычных тяжелых бетонов — расчет по методу абсолютных объемов, предложенный Б. Г. Скрамтаевым. Он производится по проектируемому классу (марке) бетона прочности при сжатии и удобоукладываемости (подвижности или жесткости) бетонной смеси. Кроме того, для конкретных материалов, используемых при производстве бетонных работ, необходимо знать вид, активность, объемный и удельный вес цемента, гранулометрический состав крупного и мелкого заполнителей и их объемный и удельный вес.

2.1 Тяжелый бетон с химической добавкой, характеристика добавки С-3+ЧСЩ

Подбор состава бетона с добавкой [12, 13] может производиться корректировкой состава бетона без добавки, в котором обеспечено получение заданной прочности при минимальном расходе цемента и требуемой подвижности или жесткости бетонной смеси, либо прямым путем, исключая предварительный подбор состава бетона без добавки.

Корректировка состава бетона с пластифицирующей добавкой при применении ее для повышения, подвижности смеси заключается в установлении оптимального количества добавки и доли песка в смеси заполнителей для тяжелого бетона.

Корректировку состава бетона с комплексными добавками рекомендуется производить в последовательности входящих в нее компонентов в соответствии с составами добавок, приведенными в табл. 2. Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента применяют различные добавки. Их подразделяют на два вида: химические добавки, вводимые в бетон в небольшом количестве (0,1…2% от массы цемента) и изменяющие в нужном направлении свойства бетонной смеси и бетона, и тонкомолотые добавки (5…20% и более), использующиеся для экономии цемента, получения плотного бетона при малых расходах цемента и повышения стойкости бетона. Применение химических добавок является одним из наиболее универсальных, доступных и гибких способов управления технологией бетона и регулирования его свойств.

В данной работе используется добавка ЩСПК. Для того чтобы понять, как она работает, нужно рассмотреть ее свойства и принципы работы.

Добавка ЩСПК относится группе пластификаторов (суперпластификаторы) ДБН В.2.7−64−97. Правила застосування хімічних добавок").

В качестве пластифицирующих добавок широко используют поверхностно-активные вещества (ПАВ), нередко получаемые из вторичных продуктов и отходов химической промышленности.

ПАВ делят на две группы:

I группа — пластифицирующие добавки гидрофильного типа, способствующие диспергированию коллоидной системы цементного теста и тем самым улучшающие его текучесть;

II группа — гидрофобизирующие добавки, вовлекающие в бетонную смесь мельчайшие пузырьки воздуха.

Молекулы поверхностно-активных гидрофобных добавок, адсорбируясь на поверхности раздела воздух-вода, понижают поверхностное натяжение воды и стабилизируют мельчайшие пузырьки воздуха в цементном тесте. Добавки II группы, имея основным назначением, регулирование структуры и повышение стойкости бетона, обладают при этом заметным пластифицирующим эффектом.

ЩСПК[14, 15] - побочный продукт (отход) производства капролактама — представляет собой водный раствор натриевых солей кислых продуктов воздушного окисления циклогексана, преимущественно адипиновой кислоты (18−30%). Обладающая щелочными свойствами (pH=10+13). Легко, без подогрева, растворяется в воде, не замерзает при температуре до минус 25 °C.

В качестве примесей содержит соли других органических кислот, а также низкомолекулярные спирты. Добавка ЩСПК относится к пластифицирующим воздухововлекающим добавкам и представляет собой в основном натриевую соль адипиновой кислоты — побочный продукт окисления циклогексанона кислородом воздуха при производстве капролактама. Эта добавка при введении в бетонные смеси в количестве 0,1—0,2% от массы цемента оказывает пластифицирующее действие, позволяет приготавливать морозостойкие бетоны марок F200 и выше, а также экономить около 8% цемента. В комплексе с противоморозными добавками (например, нитритом натрия, поташем, азотнокислым кальцием) добавка ЩСПК сокращает расход последних в 3—5 раз при бетонировании конструкций в условиях низких температур.

2.2 Исходные данные для подбора состава тяжелого бетона

Характеристика бетонной смеси по удобоукладываемости: марка по жоткости П3.

Класс (марка) бетона по прочности на сжатие В15 (М200).

Материалы.

Вид цемента — среднеалюминатный ШПЦ:

Активность цемента R_ц =32,3 МПа.

Коэффициент нормальной густоты, К_нг = 28%.

Средняя плотность цемента, _ц = 2,88 г/см³.

Насыпная плотность цемента, _цн = 1220 кг/м³.

Характеристика крупного заполнителя.

Вид материала — гранитный щебень.

Наибольшая крупность 20 мм.

Средняя плотность зерен заполнителя _щ = 2,62 г/см³.

Насыпная плотность заполнителя _щн = 1515 кг/м³.

Влажность w = 2,2%.

Характеристика мелкого заполнителя.

Вид материала — кварцевый песок.

Модуль крупности, М_кр = 1,6.

Средняя плотность заполнителя _п = 2,59 г/см³.

Насыпная плотность заполнителя _пн = 1560 кг/м³.

Влажность w = 5,7%.

Объем бетоносмесителя 1200л.

Химическая добавка ЛСТ+КТП.

2.2.1 Лабораторный состав тяжелого бетона

1. Определяем водоцементное отношение по формуле:

где, А — коэффициент, зависящий от качества материалов, свойств бетонной смеси и бетона;

R_ц — активность (марка) цемента, кгс/см²;

R_б — прочность бетона при сжатии в возрасте 28 сут., кгс/см²;

К₁ — коэффициент, учитывающий минеральный состав цемента и условия твердения бетона;

К₂ — коэффициент, учитывающий производственные условия.

2. Определяем расход воды на 1 мі.

Вm = 174 л.

3. Корректируем водопотребность бетонной смеси.

Так как М_кр = 1,6, а стандартный должен быть 2,5, то необходимо увеличить расход воды на 7,2 л.

Так как К_нг = 28%, а стандартная 28%, то не надо уменьшить количество воды

= Вm + В = 174+7,2 = 181,2л.

4. Рассчитываем расход цемента по формуле:

кг/м³.

5. Рассчитываем расход щебня по формуле:

где _щн — насыпная плотность крупного заполнителя, кг/дм³;

V_б — объем бетона, 1 м³;

V_пщ — пустотность крупного заполнителя;

V_пщ = 1 — _щн? _щ = 1- 1515? 2620 = 0,42мі.

— коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя (избытка раствора); =1,46 (табл.2.1).

кг.

6. Определяем расход песка по формуле:

где Щ, В, П — расход соответственно щебня, воды и песка, кг/м³;

_щ, _п, _ц — средняя плотность зерен соответственно щебня, песка и цемента, кг/дм³.

кг/м³.

7. Абсолютный объем материалов:

л.

2.2.2 Производственный состав бетона

Определяем количество воды содержащееся в щебне и песке, и рассчитываем производственный состав бетона с учетом влажности компонента:

В_п = П (W_п? 100),

где П — расход песка на 1 м³;

W_п — влажность материала.

В_п = 479,2 (5,7? 100) = 27,3л.

В_щ = Щ (W_щ? 100),

где Щ — расход щебня на 1 м³;

W_щ — влажность материала.

В_щ = 1360,9 (2,2/100) = 30л.

Впр = В — В_п — В_щ = 181,2 — 27,3 — 30 = 123,9л.

Теоретическая плотность бетонной смеси:

_б.с. = Ц + Впр + Щпр + Ппр ;

Корректируем состав щебня и песка:

Щпр = Щ + В_щ = 1360,9 + 30 = 1390,9 кг;

Ппр = П + В_п = 479,2 + 27,3 = 506,5 кг;

_б.с.=329,3+123,9+1390,9+506,5=2350,6 кг?мі

2.2.3 Расчет состава тяжелого бетона с химической добавкой

Добавка ЛСТ+КТПпластифицирующиевоздухововлекающие.

1. Определяем водоцементное отношение.

Водоцементное отношение, согласно предыдущему расходу, составит В/Ц = 0,55.

2. Определяем ориентировочную дозировку добавки ЛСТ+КТП.

Количество добавки в расчете на сухое вещество составит:

ЛСТ+КТП (0,1…0,25)+(0,002…0,01) от массы цемента.

Принимаем количество добавки ЛСТ (0,25%) КТП (0,01%).

3. Ведение данной добавки позволит уменьшить расход цемента на 5…8%, Кэ = 3…5%.

4. Определяем новый расход воды и цемента.

Выполняем корректировку воды с учетом ведения добавок:

В_д = В — (В• Кэ) = 181,2 — (181,2•0,04) = 173,96 л.

Находим новый расход цемента:

кг.

5. Определяем новый расход щебня с добавкой:

кг.

Определеям коэффициент (коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя) (избытка раствора); =1,46.

6. Определяем новый расход песка с добавкой:

кг.

7. Рассчитываем расход раствора добавки рабочей концентрации А, л, на 1 м³ бетона:

А = (Цд · С)? (К · р),

р = 1020 кг? мі, К = 5% - ЩСПК.

А = (414,9 · 0,3)? (5 · 1,020) = 24,4л.

8. Недостающее на затворение 1 м³ бетона количество воды Н, л, определяем по формуле:

Н = В_д — Ащспк · р (1 — 0,01 · Кщспк) = 205,3 — 24,4 · 1,020 (1 — 0,01 · 5) = 181,7л.

9. Производим перерасчет количества компонентов на заданный обьем бетоносмесителей.

Vб.с. = 750л.

Определяем коэффициент выхода бетонной смеси:

.

Цз = (в · Vб.с.? 1000) · Ц = (0,71 · 750? 1000) · 414,9 = 220,9 кг;

Щз = (в · Vб.с.? 1000) · Щ = (0,71 · 750? 1000) · 1277,8 = 661,2 кг;

Пз = (в · Vб.с.? 1000) · П = (0,71 · 750? 1000) · 522,7 = 278 кг.

(Н) Вз = (в · Vб.с.? 1000) · В = (0,71 · 750? 1000) · 205,3 = 108,8л;

(А) ЩСПК = (в · Vб.с.? 1000) · С-3 = (0,71 · 750? 1000) · 24,4 = 12,9л.

Результаты расчетов заносятся в результирующую таблицу.

3. Легкий бетон

3.1 Общие сведения о легком бетоне

Легким бетоном называется бетон с использованием легкого заполнителя в качестве котрого используют керамзитовый, перлитовый, термолитовый и др. щебень, гравий и песок. Плотность легких бетонов согласно требованиям нормативной литературы составляет от 300 до 2000кг/м³.

По классам на сжатие могут быть от В1,5 до В22,5. Поскольку плотность и теплопроводность этих бетонов невелика, то его целесообразно использовать для стеновых материалов и конструкций. Легкий бетон применяется для изготовления мелких стеновых блоков и стеновых панелей, как для гражданского, так и для промышленного строительства, также его используют для утепления перекрытий и полов.

При проектировании составов легких бетонов применяются портландцемент, шлакопортландцемент и их разновидности. Для легких бетонов по ГОСТ 25 820–83^* применяют пористые заполнители, отвечающие требованиям ГОСТ 9757–90.

3.2 Исходные данные при проектировании состава легких бетонов

Характеристика бетонной смеси по удобоукладываемости: марка по жесткости П-1 .

Класс (марка) бетона по прочности на сжатие В7,5 (М100).

Материалы.

Вид цемента — высокоалитовый портланд цемент:

Активность цемента R_ц =49,8 МПа.

Коэффициент нормальной густоты, К_нг = 25%.

Средняя плотность цемента, _ц = 3,15 г/см³.

Насыпная плотность цемента, _цн = 1290 кг/м³.

Характеристика крупного заполнителя.

Вид материала — зольный гравий Наибольшая крупность 70 мм.

Насыпная плотность зерен заполнителя _гнщ = 545 кг/м³.

Пустотность заполнителя, Vпуст. = 40,8%.

Марка по прочности П125.

Характеристика мелкого заполнителя.

Вид материала — керамзитовый песок.

Модуль крупности, М_кр = 3,2.

Насыпная плотность заполнителя _пн = 573 кг/м³.

3.3 Расчет состава легкого бетона

1. Корректируем количество воды.

1. 300 — 15 = 285л

2. 285−10=275л

3. 0

4. 0

5. 0

2. Определяем долю песка в смеси заполнителя.

r = 45%

3. Определяем минимальную плотность сухого бетона.

гб = 1050 кг? мі.

4. Определяем ориентировочный расход цемента.

Ц = 250 кг.

5. Корректируем полученный расход цемента.

М400 коэф.=1.

6. Определяем общий расход заполнителей, крупного и мелкого.

З = г_б — 1,15Ц = 1050 — 1,15 · 250 = 762,5 кг.

7. Определяем плотность смеси заполнителя:

кг/м³.

8. Определяем общий обьем смеси заполнителя:

V = З/г_зн = 762,5 / 647 = 1,2 м³.

9. Определяем расход песка:

П= V_з•r•г_пн = 1,2•0,45•573 = 309,42 кг/м³.

10. Определяем обьем аглопорита граевоподобной формы:

Г = З — П = 762,5 — 309,42 = 453,08 кг.

4 Ячеистый бетоны

Впервые ячеистые бетоны[1]. были получены в конце XIX в. Промышленное производство их началось в 20-х годах нашего столетия.

В 1924 г. в Швеции был предложен способ получения газобетона на основе цемента, извести и различных добавок с применением в качестве газообразующего агента алюминиевой пудры. Несколько позднее в Дании был изобретен пенобетон. В 30-х годах были предложены способы получения ячеистых бетонов на основе цемента, извести и молотого кварцевого песка с последующей автоклавной обработкой формованных изделий.

Систематические исследования по технологии ячеистых бетонов в СССР начались с 1928 г. Уже в начале 30-х годов в Советском союзе в строительстве нашел применение неавтоклавный пенобетон. В дальнейшем был освоен выпуск широкой номенклатуры изделий из ячеистых бетонов. Первые заводы по производству ячеистых бетонов были построены в 1939;1940 гг. В послевоенный период началось заводское производство пеносиликата. В 1953;1955 гг. освоено производство крупноразмерных изделий из пенобетона и пеносиликата для жилищного и промышленного строительства.

Первым заводом, освоившим производство крупноразмерных пенобетонных изделий, был Первоуральский завод. К 1958 г. в Советском союзе насчитывалось более 50 заводов и цехов по производству ячеистых бетонов. Годовой выпуск изделий достиг уровня, близкого к 100 тыс. м3. В 1959;1965 гг. были введены в действие крупные завалы с производительностью 30, 60 и 180 тыс. м3 изделий в год.

Известно много типов ячеистых бетонов, отличающихся различными способами получения пористой структуры, видами вяжущего вещества, условиями формования, твердения и т. д.

4.1 Ячеистые теплоизоляционные бетоны

Ячеистые бетоны[16]. классифицируются в первую очередь по способу получения пористой структуры на газобетоны и пенобетоны. Получение пористой структуры возможно также путем испарения значительного количества вовлеченной воды.

По виду вяжущего могут быть получены следующие ячеистые бетоны:

· на основе цемента — пенобетон и газобетон;

· на основе известкового вяжущего — пеносиликат и газосиликат;

· на основе магнезиального вяжущего — пеномагнезит и газомагнезит;

· на основе гипсового вяжущего — пеногипс и газогипс.

Часто наименование «пенобетон» и «газобетон» применяют для обозначения ячеистых бетонов и силикатобетонов вне зависимости от основного вида вяжущего. Ячеистые бетоны могут рассматриваться как обычные бетоны, в которых роль крупного и, частично, мелкого заполнителя выполняют воздушные пузырьки. Такие бетоны обычно называют просто ячеистыми. Иногда в состав ячеистого бетона вводят крупный заполнитель в виде шлаковой пемзы, перлита, вермикулита, керамзита или других вспученных материалов. Такие бетоны принято называть ячеистолегкими.

Ячеистые бетоны подразделяются по способу твердения. Различают ячеистые бетоны естественного и искусственного твердения. Ячеистые бетоны естественного твердения набирают прочность при хранении в обычных атмосферных условиях, а искусственного — при их обработке в условиях повышенных температур под воздействием водяного пара. Обработка называется автоклавной при давлении пара более 1 ат и температуре выше 100° инеавтоклавной, если давление пара менее 1 ат и температура в пределах 25−100°. Соответственно и ячеистые бетоны подразделяются на автоклавные и неавтоклавные.

Изделия из ячеистых бетонов в зависимости от требований, предъявляемых к их несущей способности, могут быть армированными и неармированными.

В настоящее время ячеистые бетоны применяются в различных частях зданий и сооружений и выполняют всевозможные функции. В зависимости от свойств и области применения ячеистые бетоны делятся на теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструктивные.

Теплоизоляционные ячеистые бетоны отличаются малым объемным весом (менее 1000 кг/м3), низким коэффициентом теплопроводности и достаточной прочностью.

В строительстве применяются различные изделия из ячеистых бетонов: панели, блоки и камни для наружных и внутренних стен и перегородок, плиты для утепленных кровель промышленных сооружений, скорлупы и сегменты для теплоизоляции трубопроводов, блоки для утепленияи т. д. Изделия из ячеистых бетонов выпускают различных размеров как сплошные, так, и пустотелые.

Физико-механические свойства ячеистых бетонов зависят от способов образования пористости, равномерности распределения пор, их характера (открытые, сообщающиеся или замкнутые), вида вяжущего, условий твердения, влажности и многих других технологических факторов. Однако некоторые свойства ячеистых бетонов подчинены общим закономерностям. Так, коэффициент теплопроводности зависит в основном от величины объемного веса. Он почти не зависит от вида вяжущего, условий твердения и других факторов. Это объясняется тем, что материал стенок, образующих поры, состоит из цементного камня или близкого к нему по свойствам силиката. Поэтому величина пористости и соответственно объемного веса определяет теплопроводность ячеистых бетонов.

Прочностные свойства ячеистых бетонов зависят в большей степени от вида вяжущего и условий твердения. Наиболее прочными являются автоклавные ячеистые бетоны, их прочность превышает прочность ячеистых бетонов естественного твердения в 8−10 раз.

Прочность материала стенок ячеистого бетона определяется количеством воды затворения. При твердении ячеистого бетона на основе портландцемента только определенная часть воды участвует в процессе твердения. Количество связанной воды при гидратации цемента зависит от его минералогического состава и в среднем составляет 15−20% от веса цемента. Избыточное количество воды, раздвигая частицы цемента с оболочками из продуктов гидратации, образует прослойки и скопления в толще цементного камня. После высыхания и постепенного расходования воды на продолжающиеся процессы гидратации в цементном камне остаются пустоты, каналы и отдельные замкнутые поры.

Некоторое количество пустот появляется и в результате усыхания гелеобразных масс, образующихся входе твердения цемента. Поэтому прочность цементного камня понижается по мере увеличения относительного количества воды затворения (или увеличения водоцементного отношения В/Ц).

Для ячеистых бетонов, в состав которых входит наряду с вяжущим определенное количество тонкодисперсных добавок, вместо водоцементного отношения принято определять так называемое водотвердное отношение. Водотвердный фактор — это отношение воды затворения к сумме твердых веществ — вяжущего и добавок. По мере увеличения водо-твердного отношения прочность ячеистых бетонов уменьшается. Этой зависимости подчиняются ячеистые бетоны на основе любого вяжущего.

Средством повышения прочности является уменьшение водотвердного отношения и применение в технологии вибрации как в период приготовления растворов, так и при вспучивании (для газобетонов). Вибрационные воздействия вызывают увеличение подвижности цементного теста, растворов и бетонов и позволяют снижать водотвердное отношение. Другим средством повышения прочности изделий из ячеистых бетонов является армирование. Ячеистые армированные изделия обладают достаточно большой прочностью — 75 кГ/см²и более.

Теплофизические свойства ячеистых бетонов зависят от их влажности. Поэтому одним из основных свойств, характеризующих ячеистые бетоны, является водопоглощение. Водопоглощение ячеистых бетонов зависит от вида вяжущего вещества: бетоны на основе извести, каустического магнезита, каустического доломита и гипса имеют большее водопоглощение, чем бетоны на портландцементе.

Вследствие большого водопоглощения изделия из пенои газосиликатов разрешено использовать в помещениях с относительной влажностью воздуха не выше 50%. Изделия из пеногипса разрешено применять только в конструкциях, надежно защищенных от воздействия влаги.

Важным свойством для ячеистых бетонов является усадка. Изделия из неавтоклавного бетона дают большую усадку, чем из автоклавных. Пеногипс и пеномагнезит практически не дают усадки.

Температуростойкость ячеистых бетонов невысока. Для автоклавных пенобетона и пеносиликата, а также для безавтоклавного пенобетона предельно допустимыми температурами являются 300−400°. При дальнейшем повышении температуры имеет место дегидратация новообразований цементного камня, вследствие чего резко понижается прочность бетонов.

На прочности пенобетона и пеносиликата сказывается не только температура, но и скорость нагревания изделий. Быстрый нагрев скорее приводит к появлению трещин, чем медленный нагрев до той же температуры. Пеномагнезит при повышении температуры выше 200° имеет меньшую прочность, а при температуре выше 350° он начинает разрушаться. Это свойство пеномагнезита определяется отношением к нагреванию кристаллической хлорокиси магния.

Температуростойкость пеногипса незначительна, при температуре выше 50−60 его применять не следует; дальнейшее повышение температуры вызывает дегидратацию двуводного гипса.

Для применения при температурах от 400 до 700° разработаны специальные рецептуры жароупорного пенобетона. Жароупорный пенобетон изготовляют из портландцемента, золы-уноса тепловых электростанций, пенообразователя и воды. Жароупорный пенобетон твердеет в естественных условиях.

Вследствие невысокой температуростойкости ячеистые бетоны относятся к изоляционно-строительным материалам и применяются для изоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений.

1. Площадка для хранения песка;

2. Ленточный транспортер песка;

3. Бункер для песка со шнековым дозатором;

4. Бункер для цемента со шнековым дозатором;

5. Установка для приготовления пенобетона;

6. Пеногенератор;

7. Металлоформа (узел формования пенобетонных изделий)*.

Ячеистый бетон изготавливается из минеральных традиционных сырьевых материалов: цемента, песка, извести и воды. Его называют еще пенобетоном, пористым бетоном, газобетоном (по способу создания пор), но это один и тот же материал, внешне похожий на природную пемзу (только пемза — темная, а бетон — светлый). В его структуре от 60 до 90% объема составляют мелкие овальные поры-пустоты, заполненные воздухом, который, как известно, является самым лучшим природным теплоизолятором.

Но ячеистый бетон считают энергосберегающим материалом еще и потому, что экономия достигается уже на первом этапе его производства. Более низкое потребление сырья соответственно обуславливают снижение энергозатрат на его добычу, перевозку, подготовку к работе (на подготовку сырьевых материалов в производстве расход электроэнергии в 1,5−2,5 раза ниже). Застройщик, применяя изделия из ячеистого бетона, значительно сокращает сроки строительства, в 8−12 раз уменьшает количество строительного раствора.

Материал получают малой плотности (кубометр ячеистого бетона весит от 300 до 600 килограммов, что в 3−5 раз легче кирпича и обыкновенного бетона), и одновременно, ячеистый бетон отличается высокими теплозащитными качествами. По теплоизоляционным показателям он ближе к минеральной вате и превосходит дерево.

Поскольку на обогрев помещений дома из ячеистого бетона затрачивается меньше топлива (на 30−50% уменьшаются ежегодные затраты энергии на отопление), то и в атмосферу попадает меньше вредных выбросов. Благоприятны с экологической точки зрения и такие свойства ячеистого бетона, как негорючесть и биостойкость. Стены не загораются ни при коротком замыкании в электропроводке, ни при воспламенении газа. Во время пожара из такого бетона не выделяются вредные вещества, к тому же он защитит от огня и нагревания соседние помещения и инженерные сети.

Экономически и экологически это очень выгодный материал, что раньше других поняли белорусы. Мощность их предприятий по выпуску ячеисто-бетонных изделий еще пять лет назад составляла 2,5 млн. кубометров — почти в два раза больше, чем в Украине.

Между прочим, для изготовления ячеистого бетона можно применять отходы других производств, например, золу тепловых электростанций. Ее в отвалах накопилось миллионы тонн. То, что она является прекрасным сырьем, давно продемонстрировала соседняя Польша. Еще пятнадцать лет назад половину всей продукции из ячеистого бетона (6 млн. кубометров в год) там выпускалась с применением в технологи золы.

Пористость ячеистого бетона можно изменять в достаточно широком диапазоне — от 48−50 до 90- 95%. С увеличением объема пор изменяется плотность, прочность, теплопроводность.

Такие технические характеристики позволяют на базе одного производства получать изделия различного функционального назначения, широкую номенклатуру мелкоштучных и крупноразмерных изделий.

Мелкоштучные изделия включают стеновые блоки, блоки (плиты) для перегородок и пола, термоблоки, декоративные плитки.

Стеновые блоки из ячеистого бетона (600×300×200−400 мм) укладывают в стену за один прием, по объему они эквивалентны 16 кирпичам и более. Расход раствора на кладку изделий снижается в 5−8 раз.

Блоки для межкомнатных перегородок имеют размеры 600×300 мм, 600×600 мм при их толщине 100, 150 мм. Блоки имеют ровную поверхность, и при кладке «под рейку» отпадает необходимость в нанесении выравнивающей штукатурки, достаточно тонкого шпаклевочного слоя. Достигается экономия строительного раствора, значительно снижается масса перегородок, уменьшаются нагрузки на перекрытия.

Термоблоки используют для утепления стен, чердаков, крыш, полов при новом строительстве или при реконструкции зданий. Толщину изделия принимают с учетом требуемого термического сопротивления конкретной ограждающей конструкции. В конструкциях термоблок сочетается с бетоном, кирпичом, природным камнем, стеновыми блоками, деревом, различными листовыми материалами. С применением мелкоштучных изделий из ячеистого бетона разработана концепция теплого дома.

При различном сочетании несущих, самонесущих, ограждающих стен с применением ячеисто-бетонных изделий можно строить усадебные 1−3 этажные и многоэтажные жилые дома.

Номенклатура крупноразмерных изделий из ячеистого бетона включает блоки, панели, чердачные пли ты покрытий, перемычки, перегородки высотой на этаж и др. Изготовление таких изделий требует соответствующей оснастки. Наиболее просты в изготовлении и применении крупные неармированные блоки длиной 900, 1200, 1500 мм, высотой 500, 600 мм толщиной 300, 400, 500 мм. Они применимы для кладки однослойных наружных стен взамен мелки; блоков. Площадь таких блоков составляет 0,5 — 1 м², что позволяет уменьшить количество швов, снизить расход раствора, повысить теплозащиту стены.

Сложнее решаются вопросы применения армированных изделий. Необходима разработка соответствующей номенклатуры изделий и проектов зданий с их применением. Дома высотой до 5 этажей можно строить полностью из ячеистобетонных изделий, а сочетании с кирпичом, сборным или монолитным бетоном любой этажности.

В малоэтажных домах целесообразно применять ячеисто-бетонные перемычки над оконными проемами. Длина перемычки зависит от ширины окна, высота ее — 400, 600 мм, а толщина равна толщине наружных стен — 300, 400, 500 мм. При этом обеспечивается одинаковый уровень теплозащиты наружной стены по всей ее площади.

Ограждающие конструкции с применением ячеистобетонных изделий по показателям материалов" кости и теплозащиты соответствуют европейскому уровню.

Принимая во внимание, что теплопроводность ячеистого бетона в 3−4 раза ниже кирпича, и в 5−7 раз — чем у керамзитобетонных панелей, его использование в стеновых конструкциях обеспечивает современные нормы теплосопротивления при толщине стены 40−50 см.

Однако доля ячеисто-бетонных изделий в обще объеме выпускаемых стеновых материалов составляет около 6−8%, в то время как в большинстве стран этот показатель превышает 30%.

В 2002 году в Украине выпущено около 0,25 мл куб. м ячеистобетонных изделий, в то время как потребность в них при достигнутых объемах строительства жилья составляет 1,2−1,5 млн. куб. м. С учетом прогнозируемых объемов развития жилищного строительства годовая потребность в ячеистом бетона возрастает до 5−6 млн. куб. м, то есть в 20−25 раз больше существующих объемов его производства.

1 Баженов О. М. Технология бетона. Учебник для Вузов строительной специальности. — М.: АСВ, 2003. — 500 с.

2 ДСТУ Б В.2.7−43−96. Будівельні матеріали. Бетони важкі. Технічні умови.

3 ДСТУ Б В.2.7−46−96. Будівельні матеріали. Цементи загальнобудівельного призначення. Технічні умови.

4 ДСТУ Б В.2.7−112−2002. Будівельні матеріали. Цементи. Загальні технічні умови.

5 ГОСТ 10 178–85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.

6 Технология заполнителей бетона: Учеб. для строит. вузов / С. М. Ицкович, Л. Д. Чумаков, Ю. М. Баженов. — М.: Высш. шк., 1991. — 272 с.

7 ДСТУ Б В.2.7−75−98. Будівельні матеріали. Щебінь та гравій щільні природні для будівельних матеріалів, виробів, конструкцій та робіт. Технічні умови.

8 ГОСТ 8267–93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» .

9 ГОСТ 8735–88. Песок для строительных работ. Методы испытаний.

10 ГОСТ 8736–93. Песок для строительных работ. Технические условия.

11 Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисциплін «Бетони і будівельні розчини» і «Технологія спеціальних бетонів» для студентів спеціальності 7.0921.04 «Технологія будівельних конструкцій, виробів і матеріалів» / Укладачі: О.В. Ушеров-Маршак, А.Г. Сінякін,

12 Н.І. Жданюк. — Харків: ХДТУБА, 2009. — 58 с.

13 Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01−85) / НИИЖБ. — М.: Стройиздат, 1989. — 39 с.

14 ДБН В.2.7−64−97 «Будівельні матеріали. Правила застосування хімічних добавок» .

15 ДСТУ Б В.2.7−65−97. Будівельні матеріали. Добавки для бетонів і будівельних розчинів. Класифікація.

16 ДСТУ Б В.2.7−69−98 (ГОСТ 30 459−96). Будівельні матеріали. Добавки для бетонів. Методи визначення ефективності.

17 ДСТУ Б В.2.7−45−96. Будівельні матеріали. Бетони ніздрюваті. Технічні умови.