Легкий бетон

Введение

 

Легкий бетон на пористых заполнителях применяли еще в глубокой древности. В 75-80 гг. н.э. в Риме был построен гигантский амфитеатр – Колизей, который вмещал 50 тыс. зрителей. Его фундамент выложен из бетона, приготовленного на щебне из плотной вулканической лавы, для возведения стен использован более пористый кирпичный щебень, а для сводов и между стенами –  пористый легкий туф. Здание Пантеона, выстроенное в первой четверти II в. н. э., перекрыто куполом диаметром 42,7 м. верхняя часть которого выполнена из легкого бетона на пемзе, что значительно облегчило нагрузку на стены и позволило римским строителям осуществить исключительный по смелости архитектурный замысел. Прошло 18 столетий, прежде чем появились здания с куполом большего размера из железобетона.

   В XIX в. в связи с развитием металлургической промышленности и интенсивной добычей каменного угля в России. Западной Европе и США появились искусственные пористые заполнители – доменные и котельные шлаки. Позднее из расплавленных металлургических шлаков стали получать шлаковую пемзу. Грануляция доменного шлака позволила получить мелкий пористый заполнитель. Применение этих пористых  заполнителей в смеси с известью и цементом  открыло возможность возведения зданий из легких бетонов.

В 20-х годах текущего столетия в нашей стране из легких бетонов на доменных и котельных шлаках начали изготовлять камни для кладки стен, а также возводить стены зданий из монолитного легкого бетона.

  По мере индустриализации нашей страны основной областью применения легких бетонов становилось крупноблочное строительство. В 1931-1932 гг. в Санкт - Петербурге построили первые жилые здания из крупных шлакобетонных блоков массой 0,4 – 0,8 т. Вначале их изготовляли неофактуренными. Затем стали выпускать крупные блоки с круглыми пустотами для облегчения их массы и офактуренными. 

  В первые послевоенные годы из-за ограниченного количества башенных кранов пришлось временно отказаться от крупных изделий и организовать массовое производство легкобетонных камней из доменных и котельных шлаков. Машиностроительная промышленность для формования таких пустотелых камней выпустила станки – полуавтоматы. Дальнейшее развитие строительной индустрии позволило расширить довоенный опыт крупноблочного строительства. Еще с 1956г. оно получило широкое распространение в Москве, Ленинграде, Магнитогорске, Челябинске и других городах.

 В 50-е годы в результате  перехода электростанций на сжигание  пылевидного каменноугольного топлива, а также перевода железнодорожного  транспорта на электрическую тягу резко сократился выход котельных шлаков. К этому времени относится создание промышленности искусственных пористых заполнителей (керамзита и аглопорита). В отличие от котельных шлаков эти заполнители не содержат вредных сернистых примесей, поэтому легкие бетоны стали применять со стальной арматурой. В связи с этим широкое развитие получило строительство крупнопанельных зданий.

В настоящее время успешно развивается в Москве, Санкт - Петербурге, Челябинске и других городах строительство из объемных цементов. Монтаж 5-этажного дома из таких элементов может быть выполнен за 20-30 дней. Для изготовления объемных элементов особо эффективно использование легких бетонов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основное сырье и способы изготовления или добычи материалов

 

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 конструктивно-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 0С) легкоплавкая глина переходит в пиропластическое состояние и вспучивается вследствие выделения внутри каждой гранулы газообразных продуктов. Они образуются при деградации слюдистых минералов и выгорании органических примесей. Вспучиванию способствует выделение в реакции восстановления окиси железа до закиси, протекающей при обжиге в восстановительной среде (содержащей СО) .

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 изготавливают путем обжига водосодержащих вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов). При температуре 950-1200 0С вола 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. Аглопориты 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, делятся 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 легкого бетона и коэффициента выхода от расхода воды.

Теория легких бетонов развита в работах А.И.Ваганова, К.С.Завриева, И.А.Иванова, М.З.Симонова и др.

 

Свойства легкого бетона.

 

В зависимости от предела прочности при сжатии легкие бетоны на пористых заполнителях подразделяют на марки: М25, М35, М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400.

Для изготовления высокопрочных легких бетонов (имеющих объемную массу 1600-1800 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 500кг/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 газообразных 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. Увеличение объемной влажности легкого бетона на 1 % повышает теплопроводность на 0,016-0,035 Вт./(м.0С)

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 делятся на марки: Мрз15,Мрз25, Мрз 35 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 возрастает примерно в 2 раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

Описание готового вида продукции

и его применение

 

Приготовление легкобетонной смеси сводится к дозированию и смешиванию составляющих материалов. Дозируют составляющие материалы в соответствии с подобранным в лаборатории составом бетона. Точность дозирования материалов должна соответствовать следующим требованиям6 для вяжущих и тонкомолотых гидравлических добавок 1% по массе; для заполнителей 3% по объему или по массе; для воды и водных растворов добавок 1% по массе или по объему. Практика показывает, что для легких бетонов относительно низких марок ( до 100 включительно), приготовляемых непосредственно на строительной площадке ( например при возведении высотных зданий из монолитного бетона или при формировании легкобетонных камней), дозировка материалов может быть менее точной: вяжущих, тонкомолотых добавок 2%; заполнителей 5%.