ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН. СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
|
|
"ХХ век можно охарактеризовать, как век стремительного развития технологии бетона и его массового применения в строительстве. Плох он или хорош и что не радует нас его серый вид, но этот материал был и останется самым используемым в строительстве. Мы должны рационально использовать его разновидности и применяя модификаторы структуры целенаправленно управлять его технологическими и физико-механическими свойствами".
В.А. Мартыненко, канд. техн. наук,
зав. лаб. ячеистых бетонов ПГАСА
|
Ячеистый бетон - это искусственный пористый строительные материал с характерной равномерно распределенной мелкодисперсной ячеистой структурой, получаемый в результате поризации и гидратационного твердения рационально подобранной, тщательно перемешанной растворной смеси, состоящей из вяжущего, кремнеземистого компонента, порообразователей и добавок. Макроструктура бетона представлена преобладающим объемом ячеистых пор (50:92%) и межпоровых перегородок, которые, в свою очередь, состоят из продуктов гидратации, негидратированного вяжущего и кремнеземистого компонента, капиллярных, гелевых и контракционных пор - микроструктура бетона.
Характерной особенностью ячеистого бетона является его пористая структура, которых представленная различными видами пор и, в первую очередь, ячеистыми (рис. 1), капиллярными и гелевыми (рис. 2). Согласно классификации проф. К.Э. Горяйнова и С.К. Горяйновой [1] поры разделяют по размерам: ячеистые - 10-4÷0,2 см, капиллярные - 10-5÷10-4 см, гелевые - менее 10-6 см. Проф. Ю.П. Горлов и А.П. Меркин [2] пористость ячеистого не зависимо от ее способа создания по объему подразделяли (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика пористости ячеистого бетона [2]
Плотность
ячеистого бетона,
кг/м3
|
Общий объем
пористости
Побщ, %
|
Объем
твердой фазы,
Vт, %
|
Ячеистые
поры, Пя
|
Капиллярные
поры, Пкап
|
Гелевые
поры, Пг
|
размер, м
|
объем, %
|
размер, м
|
объем, %
|
размер, м
|
объем, %
|
200
|
92
|
8
|
10-6 - 0,25·10-2
|
83
|
10-7 - 10-6
|
7,5
|
-8
|
1,5
|
300
|
88
|
12
|
10-6 - 0,2·10-2
|
76
|
10-7 - 10-6
|
9
|
-8
|
3
|
400
|
84
|
16
|
10-6 - 0,15·10-2
|
70
|
10-7 - 10-6
|
10,5
|
-8
|
3,5
|
Пористость и макроструктура структура ячеистого бетона. К ряду физических свойств, которые характеризуют особенности структурного состояния свойства ячеистого бетона, следует отнести: плотность; средняя плотность; пористость [3].
Средняя плотность (ρо) ячеистого бетона характеризует количество массы межпорового вещества в единице объема в естественном состоянии. Эта определяющая физическая характеристика бетона вычисляется по формуле (1) и изменяется в соответствии с классификацией [4] от 300 до 1200 кг/м3. Если ячеистый бетон содержит влагу, то величина средней плотности указывается с процентным содержанием влаги. Межпоровое вещество ячеистого бетона, т.е. сам скелет материала, характеризуется показателем истинной плотности (ρ), что соответствует количеству массы межпорового вещества в единице в абсолютно плотном состоянии, т.е. без учета всех видов пор, трещин или других пустотных полостей, присущих данному виду материалу в его обычном состоянии (2).
где m- масса образца материала, кг; V- объем образца материала, м3.
Величина истинной плотности (ρ) всегда больше средней плотности (ρо) бетона, т.е. плотность силикатного или цементно-кремнеземистого камня и изменяется от вида, количества используемых материалов для образования межпоровых перегородок. Для ячеистых бетонов на: золе ρ=2000:2100 кг/м3; на кварцевом песке ρ=2500:2700 кг/м3; на цементе и кварцевом песке - 2650 кг/м3; на извести и кварцевом песке - 2350 кг/м3.
Физическая величина степени заполнения единицы объема ячеистого бетона различными видами пор называется пористостью (Пяб), которая состоит из ячеистых (0,25:10-4 см), капиллярных (10-5:10-4см) и гелевые поры (10-6 см). Ячеистые поры создаются в бетоне специальными технологическими приемами посредством поризации растворной части бетонной смеси, а капиллярные поры - в результате удаления избыточной воды затворения из межпоровых перегородок [3].
Рис. 1. Соотношение параметров межпорового вещества и видов пористости теплоизоляционного ячеистого бетона
Капиллярная пористость ячеистого бетона зависит от исходного значения В/Т отношения бетонной смеси и может изменяться в процессе последующей гидратации цемента. Величина гелевой пористости в бетоне зависит от количества цемента и степени его гидратации (рис. 1). При одинаковой величине общей пористости, но при различном соотношении ее видов ячеистый бетон имеет различные физико-механические свойства.
Наибольший объем пор в ячеистом бетоне приходится на ячеистые поры, которые и должны определять его свойства, как разновидности всех видов бетонов, образуя округленные пустоты и межпоровые перегородки, т.е. его характерную макроструктуру. Величина ячеистой пористости в зависимости от вида укладки ячеистых пор не превышает определенного значения и взаимосвязана с количеством и средним размером ячеистых пор, между которыми есть определенная взаимосвязь[5-6]. Эти и ряд других последующих показателей ячеистой структуры бетона характеризуют его физико-структурные, физические и механические свойства [1-3, 6-10].
Рассмотрим основные свойства ячеистого бетона как функцию от плотности, которая взаимосвязана с его общей пористостью (3). Пористость общая бетона при разных исходных сырьевых материалах образующих межпоровую перегородку будет различной (табл. 2).
где ρо- средняя плотность ячеистого бетона; Побщ, Пяч, Пкап, Пгел- соответственно, пористость ячеистого бетона общая, ячеистая, капиллярная и гелевая.
Таблица 2
Значение общей пористости ячеистого бетона [7]
Ячеистый бетон с истиной
плотностью межпорового вещества
|
Общая пористость в % при плотности бетона
|
300
|
400
|
500
|
600
|
700
|
800
|
900
|
1000
|
1100
|
1200
|
|
|
|
На кварцевом песке, ρ=2500 кг/м3
|
88
|
84
|
80
|
76
|
72
|
68
|
64
|
60
|
56
|
52
|
|
|
|
На кварцевом песке, ρ=2700 кг/м3
|
89
|
85
|
82
|
78
|
74
|
70
|
67
|
63
|
59
|
55
|
|
|
|
На золе, ρ=2000 кг/м3
|
85
|
80
|
75
|
70
|
65
|
60
|
55
|
50
|
45
|
40
|
|
|
|
На цементе и кварцевом песке, ρ=2650 кг/м3
|
89
|
85
|
81
|
77
|
74
|
70
|
66
|
62
|
59
|
55
|
|
|
|
На извести и кварцевом песке, ρ=2350 кг/м3
|
87
|
83
|
79
|
74
|
70
|
66
|
62
|
58
|
53
|
49
|
|
|
|
На цементе и полевошпатовом песке [29], ρ=2420 кг/м3
|
88
|
83
|
79
|
75
|
71
|
67
|
63
|
58
|
54
|
50
|
|
|
|
Сама структура межпоровых перегородок представлена продуктами гидратации вяжущего и его не гидратированной частью, кремнеземистыми компонентами и порами капиллярного и гелевого типов. Поскольку цементный камень - это капиллярно-пористое тело, относительная плотность которого в высушенном состоянии при любых значениях В/Т отношения смеси и степени гидратации цемента всегда меньше единицы, то образуется определенная величина пористости. Объем такой пористости в бетоне в первую очередь связан с количеством используемого вяжущего и степенью его гидратации. С целью уменьшения объема этой пористости, для снижения последующих усадочных явлений бетона необходимо стремиться к меньшему удельному расходу вяжущего, например, цемента. При удалении адсорбционно-связанной влаги из пор цементного геля происходит уменьшение объема цементного камня и наблюдается усадка бетона в последующие сроки.
Капиллярная пористость образуется за счет введения избыточного объема воды в поризуемую бетонную смесь для придания ей необходимой подвижности. Первоначально ее некоторая часть адсорбируется на поверхности раздела фаз воздух - раствор, а большая часть находится в структурированной межпоровой перегородке. Меньшая доля ее используется для гидратации вяжущего, а оставшаяся в последующем удаляется, образовывая сеть капиллярных пор различного размера, направленности и замкнутости. Однозначно установлено отрицательное влияние капиллярной пористости на прочностные и усадочные свойства ячеистого бетона [3]. Так, коэффициент ослабления прочности ячеистого бетона больше при капиллярной, чем при ячеистой пористости. В соответствии с этим замена ячеистой пористости, равной по объему капиллярной приводит к снижению прочности ячеистого бетона на 40:70%. Однако образующаяся сеть капилляров в межпоровой перегородке прерывает тепловой поток, и тем самым, повышает теплозащитные свойства бетона при низкой влажности ячеистого бетона. Это будет взаимосвязано с параметрами пор (рис. 2), которые влияют и на другие свойства бетона, например, равновесную влажность, гигроскопичность, водопоглощение, морозостойкость, а главное - долговечность ячеистого бетона.
Рис. 2. Примерное распределения пор в ячеистом бетоне средней плотностью 500 кг/м3,
где: 1- объем межпоровых перегородок; 2 -микропоры; 3- макропоры
Теория ячеистых структур [5, 6].Теоретически, без учета толщины межпоровых перегородок при плотной укладке ячеистых пор одного диаметра, возможно следующее достижение величины ячеистой пористости в материале при разной укладке ячеистых пор шарообразной формы [5, 6, 10]:
-
при кубической укладке (рис. 3.а), (5) - 52,34%;
-
при ромбической укладке (рис. 3.в), (6) - 60,45%;
-
при гексагональной укладке (рис. 3.б) (7) - 74,04%.
где Пяч- ячеистая пористость материала,%; D- диаметр пор.
Рис. 3. Одномодальная кубическая (а), ромбическая (б)
и гексагональная (в) укладка ячеистых пор в бетоне
Создание в материале двухмодального размера ячеистых пор повышает ячеистую пористость до 74% (8-10), а трехмодального - до 80% (11).
При этом соотношение диаметра ячеистых пор (D, d1, d2) должно находится в определенной зависимости для каждого вида укладки пор.
Для двухмодальной (рис. 4):
|
при кубической укладке:
|
(12)
|
|
при ромбической укладке:
|
(13)
|
|
при гексагональной укладке:
|
(14)
|
Рис. 4. Двухмодальная укладка ячеистых пор без учета межпоровых перегородок:
а) кубическая; б) гексагональная
Таким образом, есть определенная величина плотности ячеистого бетона, которую можно достигнуть за счет ячеистой пористости при использовании сферических пор. Это в большей степени относится к пенобетону, так как именно в нем используются только сферические поры. Эффектом самовакуумирования межпоровой перегородки для последующего ее искривления мы не научились технологически управлять, а публикаций по этой теме в открытой печати нет. Теоретически считаем это возможным, а практически - необходима постановка серии лабораторных и производственных опытов.
Еще на заре развития ячеистого бетона в СССР в 30-е гг. прошлого столетия А.А. Брюшковым [11] высказано предположение, что в поризованных материалах с мелкодисперсной ячеистой структурой, независимо от средней плотности, следует стремится к одинаковому и минимальному диаметру ячеистых пор, а материалы с такой пористостью должны характеризоваться наилучшими прочностными свойствами. Теоретические вопросы, связанные с ячеистой структурой материала, основательно рассмотрены в научных трудах А.П. Меркина, Р.А. Гаджилы, А.Н. Филатова и др. Следует отметить фундаментальную и основополагающую работу В.А. Пинскера [12], в который заложены основы физики ячеистого бетона. Теоретическое значение в этой области имеет работа А.Н. Хархардина [13], в которой также рассмотрены вопросы колебания диаметра ячеистых пор и толщины межпоровой перегородки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
-
Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. - М.: Стройиздат, 1982. - 376 с.
-
Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко А.А. Технология теплоизоляционных материалов. - М.: Стройиздат, 1980. - 399 с.
-
Мартыненко В.А., Ворона А.Н. Запорожский ячеистый бетон. - Днепропетровск: Пороги, 2003. - 95 с.
-
ДСТУ Б В.2.7-45-96. Бетоны ячеистые. Технические условия. - К.: Госкомградостроительства Украины, 1997. - 32 с.
-
Мартыненко В.А. Влияние характеристик межпоровой перегородки на физико-технические свойства ячеистого бетона // Строительные материалы и изделия. - 2003. - N4. - С. 35-37.
-
Мартыненко В.А. Теоретические и структурные свойства ячеистого бетона // Збiрник наук. праць ПДАБА i Варшавського техн. унiвер. "Threoretical Foundations of Civil Engineering" (Dniepropietrovsk-Warsaw, 2003). - С. 177-186.
-
Ячеистые бетоны: Технология, свойства и конструкции / Кривицкий М.Я., Левин Н.И., Макаричев В.В. - М.: Стройиздат, 1972. - 136 с.
-
Силаенков Е.С. Долговечность изделий из ячеистых бетонов. - М.: Стройиздат, 1986. - 176 с.
-
Производство ячеистобетонных изделий: теория и практика / Н.П. Сажнев, В.Н. Гончарик, Г.С. Гарнашевич, Л.В. Соколовский. - Минск: Стринко, 1999. - 284 с.
-
Рунова Р.Ф., Шейнiч Л.О., Гелевера О.Г., Гоц В.I. Основи виробництва стiнових та оздоблювальних матерiалiв. К., 2002. - 380 с.
-
Брюшков А.А. Газо- и пенобетоны. ОНТИ. - 1930.
-
Пинскер В.А. Некоторые вопросы физики ячеистого бетона // Жилые дома из ячеистого бетона. - Л.: Стройиздат, 1963. - С. 123-145.
-
Хархардин А.Н. Теория прочности и структуры твердых пористых тел // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, тематический выпуск "Пенобетон". - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. - N4. - С. 42-53.
|