Пенобетон и газобетон относятся к группе легких бетонов, называющихся ячеистыми бетонами. Ячеистый бетон производится из цементного или известкового раствора, в котором воздухсодержащие поры и капилляры
образуются в результате действия газо- или пенообразователя. Свойства ячеистых бетонов напрямую зависят от вида, структуры и размеров воздухсодержащей матрицы в их структуре.
Главным достоинством ячеистых бетонов является легкий вес, хорошие теплоизолирующие свойства, огнестойкость. Использование ячеистых бетонов позволяет экономить средства как на конструктивных материалах, так и на утеплителях.
Ячеистые бетоны производятся различной плотности — от 300 до 1800 кг/м3 в зависимости от назначения — структурный конструкционный газобетон, перегородочный материал или стеновой утеплитель. Интересно, что первоначально, пока их свойства не были изучены как следует, ячеистые бетоны использовались только в качестве утеплителя.
Виды ячеистых бетонов:
1.Газобетон
Газобетон производится путем добавления газообразующих компонентов в цементно-песчаный, известково-песчаный или в цементно-известково-песчаный раствор. В качестве компонентов газообразователей используется алюминиевая пудра, перекись водорода или отбеливатель и карбид кальция. В результате химических реакций высвобождаются соответственно водород, кислород или ацетилен. Газообразование приводит к увеличению объема материала. Выходя из материала, газ оставляет многочисленные открытые поры и капилляры относительно большого диаметра (по сравнению с другими видами ячеистых бетонов).
2. Пенобетон
Производство пенобетона гораздо проще и дешевле, по сравнению с более высокотехнологичным газобетонным производством. В процессе производства не происходит никаких химических реакций. Пенобразование в бетонном растворе достигается использованием пенящихся поверхностно активных детергентов (моющих средств), сапонина, или гидролизатов белка (кератина). Ячеистая структура пенобетона получается при смешивании пенообразующего агента с водой или с цементно-песчаным раствором. Поскольку при твердении цементного камня газ не покидает материала, образующиеся ячейки имеют закрытую структуру. Из-за отсутствия избыточного давления газа, поры и капилляры образуются только за счет выхода (испарения) из структуры материала воды. Эти поры имеют очень небольшой размер по сравнению с порами в газобетоне.
3.Комбинированный ячеистый бетон
Существует достаточно редкая комбинированная технология, сочетающая газообразование путем введения в состав алюминиевой пудры и пенообразователь (белковый клей). [Rudnai G. Light weight concretes. Budapest: Akademi Kiado, 1963.]
Автоклавный и неавтоклавный ячеистый бетон
Исходя из условий ухода за бетоном в процессе твердения (набора прочности) ячеистый бетон может быть автоклавным или неавтоклавным. Технология ухода за бетоном в процессе набора прочности напрямую определяет итоговую прочность бетона на сжатие, степень усадки, трещинообразование, влагопоглощение. Набор прочности бетона в стандартных условиях в присутствии избытка влаги представляет собой достаточно длительный процесс.
Автоклавирование ячеистого бетона (процесс высокотемпературной обработки при повышенном давлении) приводит к потенцированию химических реакций между известью и силикатными / алюминиевыми составляющими материала. В результате происходит образование высокопрочных гидросиликатов кальция типа тоберморита и гидроалюмината или гидрогранатов различного состава. Автоклавирование бетона при температурах 140 — 250 С приводит к повышению устойчивости и прочности его пространственной коагуляционной структуры. Автоклавирование проводят в течение 8-16 часов, а режимы рабочего давления устанавливают в пределах 4-16 МПа. Автоклавировние значительно сокращает усадку бетона и трещинообразование.
Микроструктура ячеистых бетонов
Способ производства ячеистого бетона (газо- или пенообразование) напрямую оказывает влияние на микроструктуру материала, и, следовательно, на его физические свойства. Структура ячеистого бетона определяется его твердой пространственной микропористой матрицей и наличием макропор. Макропоры ячеистого бетона образуются благодаря расширению материала под воздействием давления газа. Микропоры образуются в стенках макропор ячеистых бетонов под воздействием влаги. [Alexanderson J. Relations between structure and mechanical properties of autoclaved aerated concrete. Cem Concr Res 1979;9:507-514.] Микропоры или микрокапилляры в стенках между ячейками бетона имеют диаметр около 50 nm. В структуре ячеситых бетонов также присутствет некоторое количество макрокапилляров диаметром от 50 nm до 50 μm. Макропоры ячеистых бетонов имеют диаметр более чем 60 μm. Наличие макропор в стурктуре ячеистого бетона не снижает его механической прочности на сжатие]. Свойства ячеистых бетонов зависят от пропорционального распределения в структуре материала пор различного диаметра. Структуры автоклавного ячеистого бетона и неавтоклавного газобетона имеют существенные различия, вызванные разницей в режимах гидратации связующего вещества, которые в итоге приводят к различиям в свойствах материалов. Неавтоклавный ячеистый бетон имеет в своем составе преимущественно мелкие поры и микрокапилляры, формирующиеся под воздействием испаряющейся воды, не задействованной при гидратации цемента или извести.
Пористость и свойства ячеистых бетонов
Поскольку пористость ячеистых бетонов может достигать 80%, то такие свойства ячеистых бетонов как прочность на сжатие, паропроницаемость, водопоглощение и степень усадки напрямую зависят от особенностей пористой структуры материала. Соотношение количества пор разного диаметра и структуры зависит от состава сырья и методов ухода за бетоном во время набора прочности. Чем больше в структуре ячеистого бетона макропор, тем тоньше стенки ячеек, и тем меньше в составе материала микропор. Принудительная сушка ячеистого бетона в печах (не автоклавах) может приводить к разрушению ячеистой структуры Плотность ячеистых бетонов зависит от компактности и пористости. Чем больше в структуре ячеистых бетонов макропор, тем меньше плотность материала.
Проницаемость ячеистых бетонов
Проницаемостью ячеистые бетоны обязаны своей пористой структуре. Проницаемость отличается у ячеистых бетонов с открытой и закрытой пористой структурой. Только непрерывно соединяющиеся поры с открытой структурой позволяют газам проникать через всю толщу ячеистого бетона. Для автоклавных ячеистых бетонов такой разницы не наблюдается: хотя структура пор у автоклавного пенобетона и автоклавного газобетона значительно отличается, характеристики проницаемости материалов остаются примерно одинаковыми. Наличие крупных пор не сказывается значительно на увеличении проницаемости материалов.
Химические характеристики
При автоклавирвании ячеистого бетона кальций, соединяясь с силикогидратом, образует тоберморит. В состав продуктов реакции входит смесь кристаллического, полукристаллического и аморфного тоберморита. Макрокапилляры выстилаются плоскими кристаллами тобеморита с двойной силикатной структурой. Эта структура остается неизменной во времени и при воздействии высоких температур
Кристаллическая структура неавтоклавного ячеистого бетона меняется в течении пооцесса гидратации: от игольчатых кристаллов к гексагональным и сблокированным кальцитным кристаллам
Прочность ячеистого бетона на сжатие
Состав бетонной смести, способ порообразования, структура пор, их размер, возраст бетона и водонасыщение оказывают существенное влияние на прочность ячеистого бетона. Сокращение плотности ячеистого бетона из-за увеличения количества макропор приводит к снижению прочности материала Прочность на сжатие ячеиcтого бетона увеличивается линейно с увеличением плотности материала. Автоклавирование значительно увеличивает прочность ячеистого бетона на сжатие за счет образования стабильных форм тоберморита
Прочность неавтоклавного газобетона увеличивается на 30-80% в период между 28 днями и 6 месяцами с момента производства, частично за счет процессов карбонации Прочность ячеистых бетонов на сжатие в значительной мере зависит от содержания влаги в материале и возрастает по мере просушки ячеистого бетона Прочность как автоклавных так и неавтоклавнх ячеистых бетонов возрастает при равной плотности с использованием золы или молотого сланца в качестве инертного наполнителя.
Прочность ячеистого бетона на растяжение и изгиб
По разным данным прочность на разрыв для ячеистого бетона составляет от 10 до 35% от прочности на сжатие.
Прочность на изгиб для ячеистых бетонов низкой плотности стремится к нулю. Для ячеистых бетонов конструкционной плотности прочность на изгиб составляет 22-27% от прочности на сжатие.
Усадка ячеистых бетонов при высыхании
Усадка ячеистых бетонов происходит из-за потери несвязанной в процессе гидратации воды. К образованию трещин больше склонны ячеистые бетоны с большим удельным количеством микропор (неавтоклавный пенобетон). Ячеистый бетон, имеющий в составе один только цемент (без добавления извести), гораздо более склонен к образованию трещин. Добавление пластификаторов в цементные растворы не приводит к снижению трещинообразования. Набор прочности ячеистым бетоном без автоклавирования в недостатке влаги (менее 20% от объема) ведет к образованию трещин. Автоклавирование предупреждает образование трещин из-за образования прочных тоберморитовых кристаллических структур. При этом уменьшение пористости ведет к уменьшению прочности и увеличению образования трещин, т.к. пористость напрямую связана с количеством образованного кристаллического тоберморита.
Капилляры ячеистого бетона и водопоглощение
Пористая и капиллярная структура ячеистого бетона обуславливает сильное взаимодействие материала с водой и водяными парами. В сухом состоянии поры ячеистого бетона открыты, и через них преобладает транспорт водяных паров. При увеличении влажности мелкие поры заполняются влагой, и транспорт водяных паров существенно снижается. При контакте с водой включаются механизмы капиллярного подсоса влаги за счет механизмов сорбции и гигроскопичности.
Долговечность ячеистых бетонов
Автоклавный газобетон преимущественно состоит из прочного стабильного тоберморита, который гораздо прочнее и долговечнее, чем материал неавтоклавных ячеистых бетонов (пенобетона).
С другой стороны высокая проницаемость автоклавного газобетона для газов и влаги может привести к ускоренному разрушению основы материала. Повреждение ячеистого бетона под воздействием замораживания возможно только при водонасыщении материала не ниже 20-40%. При большем водонасыщении и замораживании ячеистый бетон разрушается. Под воздействием атмосферного углекислого газа и процессов карбонизации плотность и прочность ячеистых бетонов может незначительно увеличиваться со временем.
Долговечность газобетонных конструкций снижается при переувлажнении и промерзании, при облицовке отапливаемых зданий кирпичом без вентилируемого воздушного зазора, либо при наружном утеплении газобетона паронепроницаемым ЭППС.
Теплопроводность ячеистых бетонов
Теплопроводность ячеистого бетона напрямую зависит от плотности, влажности и состава материала. Более мелкие поры обеспечивают меньшую теплопроводность.Увеличение влажности ячеистого бетона на 1% приводит к увеличению теплопроводности на 42%. Поэтому так важно не допускать увлажнения ячеистых бетонов при наружной отделке пенополистиролом и другими непаропронцаемыми материалами.
Огнестойкость ячеистых бетонов
Огнестойкость ячеистых бетонов гораздо выше, чем обычного тяжелого бетона. Это в значительной мере обусловлено гомогенной структурой без разнородных включений, как в тяжелом бетоне, что приводит к образованию трещин из-за разного расширения элементов тяжелого бетона при нагревании. Лучшей устойчивостью к огню из-за меньшей газопроводимости и теплопроводности обладают ячеистые бетоны с закрытой ячеистой структурой.
Предварительные выводы:
Способ производства ячеистого бетона и режима набора прочности влияет на ячеистую структуру материала и определяет его физические свойства.
Физические свойства ячеистого бетона зависят от его плотности и влагонасыщения.
Химический состав ячеистого бетона засвистит от режима ухода за бетоном при наборе прочности. Автоклавный ячеистый бетон гораздо более прочный и долговечный, по сравнению с неавтоклавным из-за образования прочной кристаллической решетки тоберморита.
Автоклавный чеистый бетон в 4-5 раз менее склонен к образованию трещин.
Окончательный вывод:
Критерием выбора стенового материала должен быть не способ образования ячеистой структуры бетона – пенообразование (пенобетон) или газообразование (газобетон). Критерием выбора стенового материала должно быть наличие стадии автоклавирования при производстве ячеистого бетона, так как неавтоклавные ячеистые бетоны обладают худшими физическими свойствами по сравнению с автоклавными.
