3.1.6. Легкие бетоны на пористых заполнителях

Это наиболее распространенный вид легких бетонов. Свидетельства их применения известны еще в Древнем Риме. Для их получения тогда использовался природный заполнитель – пемза и туф, а также бой керамики. В настоящее время эти заполнители также используются как местный материал.

Широкое развитие легкие бетоны получили во второй половине ХХ в., когда началось массовое производство искусственных пористых заполнителей: керамзита, аглопорита, шлаковой пемзы и др.

Легкие бетоны имеют плотность менее 1800 кг/м³. Их изготовляют на основе быстротвердеющего и обычного портландцементов, а также шлакопортландцемента. Применяют в основном неорганические пористые заполнители. Последние отличаются большим разнообразием. Они бывают природного и искусственного происхождения.

Природные получают путем дробления и фракционирования пористых горных пород (пемзы, вулканических и известковых туфов и т.п.). Это самые дешевые заполнители, получаемые без участия термообработки. Искусственные пористые заполнители изготовляют путем обжига вспучиваюшихся горных пород (керамзит (рис. 28), вспученный перлит (рис. 29), вермикулит (рис. 30), аглопорит (рис. 31), шлаковая пемза (рис. 32)).

Керамзит (керамзитовый гравий) получают путем обжига гранул, приготовленных из вспучивающихся глин. Это легкий и прочный заполнитель (насыпная плотность от 250 до 800 кг/м³). В процессе обжига легкоплавкая глина вспучивается вследствие выделения внутри каждой гранулы газообразных продуктов. В изломе гранула керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболочка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность. Керамзитовые зерна размером до 5 мм называют керамзитовым песком.

Вспученный перлит изготовляют путем обжига водосодержащих вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов). При обжиге вода выделяется, и перлит увеличивается в объеме в 10...20 раз.

Вспученный вермикулит – пористый сыпучий материал, полученный путем термической обработки водосодержащих слюд. Этот заполнитель, как и вспученный перлит, используют для изготовления теплоизоляционных легких бетонов.

Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья с добавкой 8…10 % твердого топлива на решетках специальных агломерационных машин. Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются.

Шлаковая пемза образуется путем быстрого охлаждения расплава металлургических шлаков, приводящего к вспучиванию. Куски шлаковой пемзы дробят и рассеивают, получая пористый щебень.

Рис. 28. Керамзитовый гравий и песок

Рис. 29. Вспученный перлит

Рис. 30. Вспученный Рис. 31. Аглопорит Рис. 32. Шлаковая пемза

вермикулит

Прочность легких пористых заполнителей невелика, обычно ниже прочности цементного раствора. Однако хорошее сцепление между ним и зернами пористого заполнителя (эффект «цементной обоймы») обеспечивает высокую прочность бетона в целом.

Пористые заполнители обладают значительным водопоглощением и при затворении бетонной смеси отсасывают часть воды. Поэтому по сравнению с тяжелым бетоном равноподвижные легкобетонные смеси требуют увеличения расхода воды. При этом в легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как недостатка, так и избытка воды. Благодаря тому, что часть воды затворения аккумулируется пористым заполнителем, а затем отдается цементу по мере твердения бетона, твердение легких бетонов в меньшей мере зависит от влажностных условий, а усадочные деформации в цементном камне имеют меньшую величину. В результате легкие бетоны на пористых заполнителях обладают высокой однородностью структуры и малой проницаемостью, что обеспечивает высокую прочность (10…40 МПа и более) и долговечность конструкций и сооружений.

Легкие бетоны среди всех видов бетонов отличаются своей универсальностью. Применяя различные виды пористого заполнителя и используя технологические приемы, получают бетоны различного назначения: теплоизоляционные – с плотностью не более 500 кг/м³; конструкционно-теплоизоляционные, предназначенные для ограждающих конструкций – стен и покрытий зданий, имеющие плотность в пределах 500…1400 кг/м³, марки по прочности 35…100; конструкционные, со значениями плотности 1400…1800 кг/м³, марочной прочности 150…500 и морозостойкости 100…300 циклов.

Качество легкого бетона определяется показателями двух самых важных его свойств: проектной маркой по прочности при сжатии и величиной плотности. Плотность легкого бетона зависит, главным образом, от плотности пористого заполнителя. Наивыгоднейшее сочетание показателей плотности, теплопроводности и расхода цемента достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем. При этом снижается расход цемента и уменьшается содержание цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью легкого бетона. Марки легкого бетона по плотности в сухом состоянии изменяются от D200 до D2000, кг/м³.

С повышением плотности бетона снижается его пористость, при этом возрастает прочность, но вместе с тем увеличивается и теплопроводность. Установлены следующие проектные марки легких бетонов по прочности: М25, М35, М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М400 и М500. Коэффициент конструктивного качества легких бетонов выше, чем у тяжелых примерно в 1,4 раза при одинаковой прочности, плотность конструкционных легких бетонов на 600…700 кг/м³ меньше, чем у тяжелых. Легкие бетоны обладают более высокой трещиностойкостью, так как их предельная растяжимость в 2…4 раза выше, чем равнопрочных тяжелых бетонов. Кроме того, легкие бетоны на пористых заполнителях эффективнее тяжелых бетонов по показателю приведенных затрат: в наружных стенах – на 12…25 %, во внутренних несущих стенах – на 8…14 % [7].

В силу этого конструктивный легкий бетон особенно выгодно применять взамен тяжелого в железобетонных конструкциях больших пролетов (фермы, пролетные строения мостов и т.п.), где особенно эффективно снижение собственной массы конструкции. Уменьшение нагрузок от собственной массы позволяет сократить расход арматурной стали на 15…30 %.

Деформативные свойства легких и тяжелых бетонов сильно различаются. Легкие бетоны на пористых заполнителях, как уже отмечалось, более трещиностойки. Однако следует учитывать и такие особенности легких бетонов, как большие усадка и ползучесть по сравнению с тяжелыми бетонами.

Теплопроводность легких бетонов зависит от плотности и влажности и составляет в диапазоне плотностей 600…1800 кг/м³ 0,2…0,7 Вт/(м∙К). В зависимости от плотности и теплопроводности толщина наружной стены из легкого бетона может быть от 22 до 50 см.

Долговечность бетона зависит от его морозостойкости. Для ограждающих конструкций обычно применяют легкий бетон, выдерживающий 15…35 циклов попеременного замораживания-оттаивания. Однако для стен влажных промышленных помещений, в особенности в районах с суровым климатом, требуется более морозостойкий легкий бетон. Требования по морозостойкости еще больше повышаются, если конструктивный легкий бетон предназначен для гидротехнических сооружений, мостовых и других конструкций. В этих случаях нужен легкий бетон с марками по морозостойкости F50, F100, F200.

Для морозостойких легких бетонов рекомендуется применять портландцемент ПЦ500 и ПЦ600. В качестве крупного заполнителя предпочтителен керамзитовый гравий. Его важной характеристикой являются «резервные» поры, не заполняемые водой при обычных условиях. Чем больше объем резервных пор, тем выше морозостойкость керамзита. Вода, насыщающая зерна керамзита, при замерзании расширяется и отжимается в резервные (свободные от воды) поры, не причиняя вреда самому материалу. Морозостойкость легкого бетона сильно повышается, если в качестве мелкого заполнителя применяют обжиговый керамзитовый песок.

Морозостойкость зависит не только от качества цемента и заполнителей, но и от строения бетона. Оно должно быть слитным, при этом цементного теста должно хватить на образование вокруг зерен пористого заполнителя оболочек, которые уменьшают водопоглощение пористого заполнителя в бетоне и повышают стойкость бетона. Созданию оптимальной структуры и повышению морозостойкости легкого бетона способствует подбор оптимального расхода воды, а также применение гидрофобизирующих добавок. Морозостойкость возрастает при введении в бетонную смесь добавок кремнийорганических жидкостей, а также воздухововлекающих добавок (абиетата натрия, канифольного мыла).

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

Легкий бетон для несущих армированных конструкций должен быть плотным, т.е. иметь слитную структуру, при которой межзерновые пустоты крупного заполнителя были бы полностью заполнены цементным раствором. В таком плотном легком бетоне защита арматуры от коррозии не нужна.

Водостойкость плотных легких бетонов существенно не отличается от водостойкости тяжелых бетонов. Обычно уменьшение прочности легких бетонов от их кратковременного насыщения водой не превышает 15 %. В воде легкий бетон набухает больше, чем равнопрочный тяжелый бетон. Водонепроницаемость конструкционного легкого бетона высокая. Керамзитобетон с расходом цемента 300…350 кг/м³ не пропускает воду даже при давлении 2 МПа. Характерно, что водонепроницаемость легкого бетона со временем повышается.

Разновидностью легких бетонов являются крупнопористые (беспесчаные) бетоны – в них не содержится песок, и сохраняются крупные межзерновые пустоты. Благодаря отсутствию песка и пониженному расходу цемента, используемого лишь для склеивания зерен крупного заполнителя, плотность крупнопористого бетона на 600…700 кг/м³ ниже, чем у аналогичного бетона плотного строения.

Эти бетоны могут выполнять как конструкционно-теплоизоляционные функции (при значениях плотности 500…1400 кг/м³), так и сугубо теплоизоляционные (при плотности менее 500 кг/м³). Необходимо учитывать, что крупнопористые бетоны характеризуются высокой проницаемостью и требуют защиты от воздействий внешней среды. Поэтому их целесообразно применять, например, в качестве внутреннего теплоизоляционного слоя слоистых ограждающих конструкций и в других аналогичных случаях.

Крупнопористые бетоны целесообразно изготовлять на основе пористых заполнителей (керамзита, шлаковой пемзы и др.). В этом случае плотность бетона составляет 500…700 кг/м³ и плиты из такого бетона эффективны для теплоизоляции стен и покрытий зданий. Объемы использования крупнопористого бетона незначительны.

Легкие бетоны на пористых заполнителях применяются для изготовления различных строительных элементов зданий и сооружений: панелей для стен и перекрытий отапливаемых зданий, пролетных строений мостов, ферм, плавучих средств. Применение изделий из легких бетонов позволяет укрупнить монтажные элементы, уменьшить общую массу сооружения, улучшить качество строительства и повысить производительность труда. При уменьшении массы бетона на каждые 10 % стоимость конструкции снижается примерно на 3 %. Применение легких бетонов дает возможность на 30…40 % снизить массу зданий, на 20 % сократить трудоемкость их возведения, на 30…40 % уменьшить транспортные расходы, не менее, чем на 6…10 % снизить общую стоимость строительства.