Легкие бетоны на пористых заполнителях.

Виды и технические характеристики

Чем менее теплопроводен бетон, тем меньшую толщину будут иметь ограждающие конструкции наружные стены или теплые (бесчердачные) верхние покрытия зданий. Кроме того, чем меньше объемный вес бетона, тем большую площадь может иметь сборный элемент стены или перекрытия при той же грузоподъемности крана, монтирующего сооружение.

Поэтому применение легких бетонов выгодно в ряде конструкций, когда необходимо достигнуть уменьшения веса, например: в междуэтажных перекрытиях зданий, в проезжей части мостов и т. п. Использование легких бетонов в ряде случаев существенно уменьшает и стоимость сооружений.

В зависимости от вида применяемого крупного заполнителя различают следующие разновидности легкого бетона с пористыми заполнителями:

1. керамзитобетон,
2. аглопорито-бетон,
3. шлакопемзобетон,
4. туфобетон и т. п.

По структуре легкие бетоны подразделяют на:

1. обычные (плотные),
2. малопесчаные (неплотные, с межзерновой пористостью),
3. беспесчаные (крупнопористые) и поризованные.

Структура легкого бетона зависит от степени заполнения раствором межзерновых пустот крупного заполнителя. Обычные, или плотные легкие бетоны содержат избыток плотного цементо-песчаного раствора по отношению к объему пустот в крупном заполнителе. При уплотнении такой смеси образуется плотная структура ее (объем межзерновых пустот менее 3%).

Неплотная структура малопесчаных бетонов образуется при частичном заполнении межзерновых пустот крупного заполнителя раствором (при меньшем содержании мелкого заполнителя).

Крупнопористую структуру бетона получают, когда в его составе нет мелкого заполнителя, а зерна крупного заполнителя только покрыты цементным тестом.

Поризованная структура легкого бетона образуется, если содержание ячеистой бетонной массы или поризованного цементно-песчаного раствора превышает объем пустот в крупном заполнителе.

По области применения легкие бетоны на пористых заполнителях подразделяют на следующие группы:

• конструктивные и высокопрочные, применяемые в несущих железобетонных конструкциях с обычной или предварительно напряженной арматурой; к таким бетонам предъявляют повышенные требования по их механическим свойствам и долговечности, а также нормируется предельный объемный вес;
• конструктивно-теплоизоляционные, применяемые в ограждающих конструкциях, которые, кроме выполнения теплозащитных функций, воспринимают определенную нагрузку и поэтому должны обладать заданными показателями теплопроводности, объемного веса и прочности;
• теплоизоляционные, используемые в качестве изоляции в ограждающих конструкциях зданий и оборудования, для которых решающими являются объемный вес и зависящий от него показатель теплопроводности.

Примерные значения технических характеристик легких бетонов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные характеристики легких бетонов на пористых заполнителях

Значительный диапазон требований к легким бетонам различных видов объясняется большим разнообразием их структуры и характеристик применяемых материалов, от которых зависят свойства легкобетонных смесей и затвердевшего бетона.

Свойства легкобетонной смеси принято характеризовать ее объемным весом, удобоукладываемостью (подвижностью и жесткостью) или рассливаемостью и структурой (объемом межзерновых пустот).

Объемный вес бетонной смеси является одной из важных характеристик, определяющих ее однородность, а следовательно, и постоянство свойств затвердевшего бетона —его объемный вес и прочность. На объемный вес смеси оказывают влияние относительное содержание и свойства крупного и мелкого заполнителей, объем межзерновых пустот смеси, степень последующего уплотнения бетона. Эти факторы влияют и на расход вяжущего в бетонной смеси.

Удобоукладываемость легкобетонных смесей зависит от структуры и состава бетона. Смеси с межзерновой пористостью (малопесчаные и крупнопористые) могут быть только жесткими. Смеси плотной структуры могут быть жесткими и подвижными, а поризо-ванной — подвижными и малоподвижными. При этом большую подвижность назначают для поризованной беспесчаной смеси. Ориентировочные значения подвижности или жесткости легкобетонной смеси приведены в табл. 2.

Таблица 2. Показатели жесткости или подвижности легкобетонной смеси к началу формирования конструкций

В легкобетонных смесях как недостаточное, так и избыточное содержание воды (по сравнению с оптимальным для заданных условий уплотнения) приводит к уменьшению плотности, а следовательно, и прочности бетона.

Подвижность и жесткость плотной бетонной смеси определяют такими же методами, как у обычных тяжелых бетонов.

Смеси неплотной структуры, в которых объем межзерновых пустот превышает 3%, могут в процессе уплотнения вибрированием расслаиваться. Это свойство чаще проявляется в смесях, приготовленных с избыточным количеством воды и содержащих мелкий и крупный заполнители с большой разницей значений объемного веса или из-за недостаточного количества мелких фракций в песке.

Такие смеси характеризуются не жесткостью, а расслаиваемо-стью. Показатель расслаиваемости определяют по ГОСТ , выявляя величину изменения объемного веса в верхних и нижних частях образцов уплотненной бетонной смеси.

Качество смеси признают удовлетворительным, если величина показателя расслаиваемости не превышает 10%.

Введение в малопесчаную смесь микропенообразующей (воздухововлекающей) добавки увеличивает объем поризованной растворной составляющей до полного заполнения межзерновых яустот в крупном заполнителе. Такая бетонная смесь приобретает псевдо-плотную (поризованную) структуру; она становится менее жесткой и нерасслаиваемой в процессе ее уплотнения вибрированием.

Из свойств легкого бетона основными являются объемный вес и прочность при сжатии, контролируемые при производстве изделий. Эти свойства для легкого бетона также взаимозависимы.

Большое влияние на объемный вес и прочность легких бетонов оказывают зерновой состав и свойства заполнителей. При увеличении относительного содержания крупного заполнителя в составе бетона его объемный вес и прочность уменьшаются. Яркой иллюстрацией этой зависимости являются свойства крупнопористого бетона, объемный вес и прочность которого при прочих равных условиях наименьшие.

С увеличением расхода вяжущего прочность и объемный вес легкого бетона возрастают вследствие повышенного содержания в бетоне более прочного и тяжелого цементного камня.

С повышением активности цемента прочность цементного камня увеличивается; поэтому при неизменном объемном весе легкого бетона прочность его возрастает, хотя и в меньшей степени, чем у тяжелого бетона. Это увеличение прочности носит затухающий характер, и в зависимости от свойств заполнителя она может оказаться предельной, несмотря на повышение активности и расхода цемента. Однако применение цементов несколько более высокой активности позволяет уменьшить их расход и этим снизить объемный вес бетона.

Объем применения легких бетонов с каждым годом увеличивается в связи с развитием индустриальных методов строительства, переходом к монтажу стен, перекрытий и перегородок из крупноразмерных бетонных и железобетонных готовых деталей, изготовляемых на специальных заводах.

Состав легких бетонов на пористых заполнителях

Легкие бетоны с пористыми заполнителями изготовляемые из вяжущих, воды и легких заполнителей; такие бетоны в зависимости от веса примененных заполнителей имеют объемный вес от 800 до 1800 кг/м3, а чаще всего 1300—1500 кг/м3;

1. легкие крупнопористые бетоны («беспесчаные»), изготовляемые из цемента, воды и гравия (или щебня), одинаковой по возможности крупности; отсутствие в таких бетонах песка придает им — при ограниченном количестве цемента крупнопористое строение; объемный вес таких бетонов составляет от 600 до 2000 кг/м3 в зависимости от объемного веса примененного заполнителя и состава бетона;
2. особо легкие ячеистые бетоны, изготовляемые в основном из вяжущих (большей частью с добавками, уменьшающими их расход), воды и пенообразующих (пенобетоны) или газообразующих (газобетоны) веществ; такие бетоны имеют объемный вес от 300 до 1200 кг/м3, чаще же всего 500—800 кг/м3.

В области изучения и применения легких- бетонов советские исследователи и инженеры достигли значительных успехов. В 1929—1933 гг. была впервые разработана теория легких бетонов (проф. Н. А. Поповым и др.) и легкого железобетона. На основе этих и ряда других работ легкие бетоны с пориогыми заполнителями были широко внедрены в строительство.

Области применения бетонов на местных пористых заполнителях по мере изучения их свойств расширяются. Так, например для элементов гидротехнических сооружений получили применение бетоны на литоидной пемзе (несколько более плотной, чем обычная пемза).

Основные виды искусственных пористых заполнителей

Заполнитель занимает в бетоне до 80% его объема. Получение легкого бетона с оптимальными свойствами существенно зависит от вида применяемого искусственного пористого заполнителя (см. схему). Свойства заполнителя определяются прежде всего его объемной насыпной массой. Установлены следующие марки пористого заполнителя по объемной массе (в кг/м3): 50, 100, 150, 200, 250, 800, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900 и 1000. Для песка примята дополнительная марка 1200 кг/м3.
Пo химическому составу пористые заполнители разделяют на кислые и основные. Они могут иметь различное соотношение стекловидной и кристаллической фаз. Слагающее их вещество может находиться почти целиком в стекловидной фазе (кислые гранулированные доменные шлаки, керамзит из хорошо вспучиваемых глин) или же иметь преимущественно кристаллическую структуру (некоторые карбонатные заполнители). Такие заполнители, как аглопорит, в равной мере содержат стекловидную и кристаллическую фазу.

Искусственные пористые заполнители подразделяются на мелкие и крупные: к мелким относятся сыпучие материалы (песок) объемной насыпной массой (в высушенном состоянии) не более 1200 кг/м3 при крупности зерен до 5 мм, к крупным — зерна от 5 до 40 мм при объемной массе не более 1000 кг/м3.

Крупные заполнители для легкого бетона применяют пористые, мелкие же могут быть в некоторых случаях плотными. Так, для конструктивных легких бетонов, от которых требуется не только повышенная прочность, но и возможно меньшая деформативность, рекомендуется в качестве мелкого заполнителя кварцевый песок.

Естественные заполнители получают из природного пористого камня с применением механических методов переработки (дробления, рассева). Искусственные заполнители изготовляют как из минерального сырья, представляющего собой преимущественно осадочные породы (реже вулканического происхождения), так и из: побочных продуктов металлургической, энергетической; промышленности. Производство их предусматривает применение более сложных технологических процессов: спекания, вспучивания и поризации нагретой или расплавленной массы. Такие заполнители в зависимости от формы зерен и характера их поверхности могут быть гравиевидные и ще б невидные, с закрытой и открытой пористостью.

В процессе производства искусственных заполнителей можно изменять их пористость, прочность и другие свойства. Учитывая эти преимущества, легкие бетоны получают в основном па искусственных заполнителях. К 1975 г. объем применяемых в строительстве искусственных заполнителей будет в 8 раз превышать добычу естественных пористых заполнителей.

Известны четыре основных метода поризациии сырья при его термической обработке:

1) предварительное вспенивание исходной шихты;

2) выгорание органических добавок пли примесей;

3) вспучивание исходной шихты в пиропластическом состоянии газообразными продуктами;

4) вспучивание расплава газо- и парообразными продуктами.

Несколько обособленное положение занимает агломерация, при которой поризация достигается в результате одновременного действия ряда процессов: выгорания топлива, испарения влаги, контактного спекания отдельных зерен и лишь частично вспучивания.

Определение состава легких бетонов

Так как объемный вес пористых заполнителей легкого бетона изменяется в больших пределах, состав легкого бетона удобнее выражать в объемных показателях. Для определения состава легкого бетона задается проектная марка бетона или его прочность к определенному сроку и с учетом режима твердения, объемный вес и структура бетона, а для бетона с плотной и поризованной структурой — жесткость или подвижность бетонной смеси. Многообразие видов легких бетонов, пористых заполнителей и их свойств затрудняет разработку единой методики определения их состава. Однако некоторые зависимости, рассмотренные при определении состава тяжелого бетона, сохраняются и для легкого бетона.

Прочность легкого бетона не находится в строгой зависимости от водоцементного отношения. Это объясняется большим влиянием на ее изменение вида и прочности заполнителя, расхода и активности цемента, выраженных в прочности растворной части бетона (рис. 5) и структуры легкого бетона (рис. 6). Рост прочности бетона с увеличением прочности раствора постепенно уменьшается, и для определенной прочности пористого заполнителя устанавливается предельное ее значение.

https://www.masterovoi.ru/image-19-7/prochnost-legkogo-betona.jpg» width=»800″ />

Для приготовления высокопрочных легких бетонов, в зависимости от их марки, рекомендуется применять пористые заполнители, прочность которых не ниже указанной в табл. 1.

Для достижения заданного объемного веса легкого бетона, кроме применения соответствующего крупного пористого заполнителя, уменьшают относительный объем и объемный вес растворной части бетона применением более легкого мелкого заполнителя, ограничением расхода цемента (путем повышения его активности) или изменяют структуру бетона. При этом расход цемента в неармированных легких бетонах должен быть не менее 120 кг/м3, в армированных конструктивно-теплоизоляционных — не менее 200 кг/м3, а в конструктивных бетонах — не менее 220 кг/м3.

Минимальная прочность при сжатии крупного пористого заполнителя для приготовления высокопрочных легких бетонов различных марок

В отличие от тяжелых в легких бетонах даже низких марок рекомендуется использовать высокопрочные цементы. Ниже приведены марки цемента, которые целесообразно применять в зависимости от требуемой марки легкого бетона.

Зерновой состав смеси заполнителя влияет на расход цемента в легком бетоне. При использовании фракционированных заполнителей, их соотношение рекомендуется принимать по табл. 3. Таблица 3. Зерновой состав смеси пористых заполнителей для виброуплотняемых легких бетонов

При этом необходимо учитывать, чтобы принятый зерновой состав пористого заполнителя имел объемный вес, соответствующий оптимальному для легкого бетона данной марки. Меньшее содержание крупной песчаной фракции (1,2—5 мм) принимают; при использовании пористого песка, полученного дроблением. Сильно развитая поверхность его зерен приводит к повышению расхода цемента и ухудшает формуемость бетонной смеси.

Предельную крупность пористого заполнителя

Предельную крупность пористого заполнителя назначают, исходя из тех же условий, что и для тяжелых бетонов. Поскольку крупные зерна пористого заполнителя имеют обычно наименьший объемный вес, увеличение их содержания в легком бетоне снижает его объемный вес. Уменьшение же предельной крупности улучшает формуемость и связность бетонной смеси, а также повышает прочность бетона ввиду увеличения прочности зерен более мелкой фракции пористого заполнителя.

Предельная крупность пористого гравия обычно составляет 40 мм, а крупность пористого щебня, как правило, не должна превышать 20 мм. При этом для бетонов неплотной структуры целесообразно применять пористый гравий не крупнее 20 мм.

Состав легкого бетона плотной структуры определяют в той же последовательности, что и тяжелого, т. е. после предварительного расчета состава легкого бетона по методу абсолютных объемов или с помощью таблиц и графиков уточняют его по результатам опытных замесов.

Предварительно испытывают материалы, применяемые для легкого бетона, с целью проверки соответствия их свойств требованиям ГОСТа на эти материалы и заданным свойствам бетона (объемному весу и прочности).

Расход цемента принимают по табличным данным, полученным по обобщенным результатам испытания легких бетонов различных марок, приготовленных из материалов с оптимальными свойствами.

Ориентировочные значения расхода цемента для опытных замесов с учетом указаний, приведены в табл. 4.

Таблица 4. Ориентировочный расход цемента марки 400 для приготовления легкого бетона

Меньше расходуется цемента в смесях жесткостью 20—30 сек, больше в смесях подвижностью 3—5 см. Прочность пористого крупного заполнителя принята оптимальной для данной марки бетона. Замена пористого песка кварцевым в бетонах марки 200 и более снижает расход цемента на 10—15%.

Основные свойства пористых легких бетонов

Можно выделить следующие:

Классификация легких бетонов по видам заполнителя.

1. Плотность материала, которая зависит главным образом от насыпной плотности в сухом состоянии и фракции используемого заполнителя. Крупным считается заполнитель размером от 5 до 40 мм, а мелким — от 0,2 до 5 мм. Соотношение крупного и мелкого заполнителя должно составлять 6:4. В среднем, отношение насыпной плотности крупного сухого заполнителя к плотности бетона, полученного из него, составляет приблизительно 1:2. Имеются следующие марки легкого бетона в зависимости от объемной массы: D200, D300, D400..D2000 (с интервалом 100 кг/м³). Плотность понижается при поризации цементного камня.
2. Прочность напрямую зависит от количества и марки используемого в смеси цемента, а также от качества пористых заполнителей. Если прочность применяемого заполнителя низкая, то разрушение бетона вполне может начаться именно с него, независимо от характеристик цементного камня. Установлены классы прочности бетонов на сжатие от В0,35 до В40, в зависимости от их назначения.
3. Теплопроводность может колебаться в довольно широких пределах от 0,055 до 0,75 Вт/(мх°С). На эту величину существенное влияние оказывает как плотность самого бетона, так и характер структуры пористости и влажность материала. Если объемная влажность повышается на 1%, то теплопроводность увеличивается на 0,01. 0,03 Вт/(мх°С). Отличные теплоизоляционные свойства получаются при использовании легких заполнителей из пенополистирола (коэффициент от 0,055 до 0,145 Вт/(мх°С)) и вспученного перлита с коэффициентом 0,15 Вт/(мх°С) при плотности D600.
4. Морозоустойчивость материала напрямую зависит от качественных характеристик заполнителей и вяжущего элемента, огромную роль играет и структура строения бетона. Морозоустойчивость изменяется в пределах от F15 и до F200. Можно получить величины до F300 и даже F400. Обычно такие бетоны используют для наружных конструкций;
5. Водонепроницаемость зависит от вида вяжущего элемента, соотношения его и воды в бетоне, от содержания различных химических и тонкомолотых добавок, условий, при которых происходило затвердевание, и возраста самого бетона.

Она довольно высокая, по мере старения материала она увеличивается все больше. В зависимости от водонепроницаемости выделяют следующие марки легкого бетона: W2, W4, W20 (цифры обозначают давление в кгс/см²).