Легкий бетон на пористых заполнителях

Легкий бетон на пористых заполнителях

Материалы для изготовления легкого бетона. Для легкого бетона используют быстротвердеющий и обычный портландцементы, а •также шлакопортландцемент. Применяют в основном неорганические пористые заполнители. Для теплоизоляционных и некоторых видов конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов используют и органические заполнители, приготовленные из древесины, стеблей хлопчатника, костры, гранулы пенополистирола (стиропорбетон) и др.  

Неорганические пористые заполнители отличаются большим разнообразием, их подразделяют на природные и искусственные.  

Природные пористые заполнители получают путем частичного дробления и рассева или только рассева горных пород (пемзы, вулканического туфа, известняка-ракушечника и др.)- Искусственные пористые заполнители являются продуктами термической обработки минерального сырья и разделяются на специально изготовленные и побочные продукты промышленности (топливные шлаки и золы, отвальные металлургические шлаки и др.).  

Керамзитовый гравий получают путем обжига гранул, приготовленных из вспучивающихся глин. Это легкий и прочный заполнитель объемной насыпной массой 250 — 800 кг/м3. В изломе гранула керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболочка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность. В процессе обжига (до 1200°С) легкоплавкая глина переходите пиропластическое состояние и вспучивается вследствие выделения внутри каждой гранулы газообразных продуктов. Они образуются при дегидратации слюдистых минералов и выгорании органических примесей. Вспучиванию способствует выделение С02 в реакции восстановления окиси железа до закиси, протекающей при обжиге в восстановительной среде (содержащей СО) : Fe203 + CO = C02 + + 2FeO.  

Керамзит, обладающий высокой прочностью и легкостью, является основным видом пористого заполнителя.  

Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при производстве керамзитового гравия (правда, в небольших количествах), а также по методу кипящего слоя, обжигом глиняных гранул во взвешенном состоянии. Кроме того, его можно получать дроблением зерен гравия размером более 40 мм и сваров.  

Шлаковую пемзу изготовляют путем быстрого охлаждения расплава металлургических (обычно доменных) шлаков, приводящего к вспучиванию. Куски шлаковой пемзы дробят и рассеивают, получая пористый щебень. Производство шлаковой пемзы развивается в районах развитой металлургии. Здесь себестоимость шлаковой пемзы ниже, чем керамзита.  

Гранулированный металлургический шлак получают в виде крупного песка с пористыми зернами размером 5 — 7 мм, иногда до 10 мм.  

Вспученный перлит изготовляют путем обжига водосодержащих вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов). При температуре 950 — 1200°С вода выделяется и перлит увеличивается в объеме в 10 — 20 раз. Вспученный перлит применяют для производства легких бетонов и теплоизоляционных изделий.  

Вспученный вермикулит — пористый сыпучий материал, полученный путем обжига водосодержащих слюд. Этот заполнитель используют для изготовления теплоизоляционных легких бетонов.  

Топливные отходы (топливные шлаки и золы) образуются в качестве побочного продукта при сжигании антрацита, каменного угля, бурого угля и других видов твердого топлива. На основе золы выпускают зольный гравий.  

Топливные шлаки — пористые кусковые материалы, получающиеся в топке в результате спекания и вспучивания неорганических (в основном глинистых) примесей, содержащихся в угле. Шлаки подвергаются частичному дроблению, рассеву и обогащению для удаления вредных примесей (несгоревшего угля, золы и др.)- На основе зол выпускают зольный и глинозольный гравий.  

Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья (с добавкой 8 — 10% топлива) на решетках агломерационных машин. Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются. Применяют местное сырье: легкоплавкие глинистые и лёссовые породы, а также отходы промышленности — золы, топливные шлаки и углесодержащие шахтные породы. Аглопорит выпускают в виде пористого песка, щебня и гравия.  

Шунгизит изготовляют обжигом шунгитовых сланцевых пород.  

Наивыгоднейшее сочетание показателей объемной массы, теплопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетонов достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем, что требует слитного (сближенного) размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В этом случае в бетоне будет содержаться меньше цементного камня, являющегося самой тяжелой частью легкого бетона, а стальная арматура будет защищена от коррозии. Наибольшее насыщение бетона пористым заполнителем возможно только при правильном подборе зернового состава смеси мелкого и крупного пористых заполнителей, а также при использовании технологических факторов (интенсивного уплотнения, пластификаторов и др.).  

Пористые заполнители, так же как и плотные, делят на крупные (пористый гравий или щебень) с размером кусков 5 — 40 мм и мелкие (пористый песок), состоящие из частиц менее 5 мм. Пористый песок рассеивают на две фракции — до 1,2 мм (мелкий песок) и 1,2 — 5 мм (крупный песок). Пористый щебень (гравий) следует разделять на фракции — 5 — 10, 10 — 20, 20 — 40 мм.  

По объемной насыпной массе в сухом состоянии (кг/м3) пористые заполнители разделяют на марки 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 и 1200.  

Прочность пористого щебня (гравия) определяют по стандартной методике путем раздавливания зерен в стальном цилиндре.  

Зерна большинства пористых заполнителей имеют шероховатую поверхность, поглощают значительное количество воды затворения, поэтому легкобетонные смеси являются, как правило, недостаточно удобоукладываемыми, нуждаются в принудительном смешивании и в интенсивном уплотнении (вибрировании под нагрузкой, вибропрокате, вибротрамбовании и др.), которое более эффективно при применении пластифицирующих добавок.  

Основы теории легких бетонов, включающие общий метод определения оптимального количества воды затворения для легкобетонной смеси, разработал Н. А. Попов. Этот метод основан на зависимости прочности от расхода воды имеет две ветви. Левая (восходящая) показывает, что прочность бетона при повышении расхода воды постепенно возрастает. Это объясняется увеличением удобоукладываемости бетонной смеси и плотности бетона. Правая (нисходящая) ветвь кривой свидетельствует о том, что после достижения наибольшего уплотнения смеси (т. е. минимального коэффициента выхода) увеличение расхода воды приводит к возрастанию объема пор, образованных несвязанной цементом водой, и к понижению прочности бетона.  

В легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как недостатка, так и избытка воды затворения.  

Прочность легкого бетона R, по Н. А. Попову, зависит от марки цемента, цементно-водного отношения, прочности пористого заполнителя и может быть приближенно определена по формуле, имеющей в определенных границах Ц/В такой же вид, как и для тяжелых бетонов:  

Зависимость прочности бетона и коэффициента от расхода воды затворения:  

— оптимальное количество воды  

где А2 и bi — безразмерные параметры.  

Чем ниже прочность пористого заполнителя, тем меньше величины Л2 и #2.  

При оптимальном количестве воды затворения, подобранном для применяемых цемента и заполнителей, прочность легкого бетона зависит главным образом от марки и расхода цемента (формула Н. А. Попова):  

где k и Ц0 — параметры, определяемые путем испытания образцов бетона, изготовленных с оптимальным количеством воды, но с разными расходами цемента и твердевших в тех же условиях, что и легкобетонные изделия (k — безразмерный, Ц0 имеет размерность расхода цемента).  

Свойства легкого бетона. В зависимости от предела прочности при сжатии легкие бетоны на пористых заполнителях подразделяют на марки: М25, М 35, М50, М75, Ml00, Ml50, М200, М250, М300, М350, М400.  

Для изготовления высокопрочных легких бетонов (имеющих объемную массу 1600-1800 кг/м3) применяют более прочный пористый заполнитель (с объемной насыпной массой 600 — 800 кг/м3), а пористый песок частично или полностью заменяют плотным.  

Наиболее важной наряду с прочностью характеристикой легкого бетона является объемная масса. В зависимости от объемной массы, и назначения легкие бетоны делят на следующие группы: 1) теплоизоляционные с объемной массой до 500 кг/м3; 2) конструкционно-теплоизоляционные (для ограждающих конструкций — наружных стен, покрытий зданий) с объемной массой 500 — 1400 кг/м3; 3) конструкционные с объемной массой 1400 — 1800 кг/м3.  

Уменьшить объемную массу легких бетонов можно путем образования в цементном камне мелких замкнутых пор. Для поризации цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью легкого бетона, используют небольшие количества пенообразующих или газообразующих веществ. Мелкие и равномерно распределенные поры в цементном камне незначительно понижают прочность,, но зато существенно уменьшают объемную массу и теплопроводность легкого бетона.  

Теплопроводность легких бетонов зависит в основном от объемной массы и влажности (рис. 100). Увеличение объемной влажности легкого бетона на 1% повышает теплопроводность на 0,016 — 0,035 Вт/(м.°С).  

В зависимости от теплопроводности легкого бетона толщина наружной стены может изменяться от 20 до 40 см.  

Наружные ограждающие конструкции из легких бетонов подвергаются воздействию попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания. Поэтому легкие бетоны, применяемые для наружных стен, покрытий зданий, а также для конструкций мостов, гидротехнических сооружений, должны обладать определенной морозостойкостью.  

По морозостойкости легкие бетоны делят на марки: Мрз15, Мрз25, Мрз35, Мрз50, Мрз75, Мрз100, Мрз150, Мрз200, Мрз300, Мрз400, Мрз500. Для наружных стен обычно применяют бетоны с морозостойкостью не менее 15 — 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.  

Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно используют в мостостроении, гидротехническом строительстве и даже в судостроении.  

Водонепроницаемость плотных конструкционных легких бетонов может быть высокой. Керамзитобетон с расходом цемента 300 — 350 кг/м3 не пропускает воду даже при давлении 2МПа. Малая водопроницаемость плотных легких бетонов подтверждается долголетней эксплуатацией возведенных из них гидротехнических сооружений (например, в Армении и Грузии), а также испытанием напорных железобетонных труб. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается.  

Легкий бетон является эффективным универсальным материалом и его применение в десятой пятилетке возрастет примерно в 2 раза.