Ячеистый бетон: теплоизоляционные свойства

Теплоизоляционные материалы занимают особое место среди материалов строительного назначения. Во всем мире нарастает тенденция к сбережению тепловой энергии. Введение в действие новых требований к повышению теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений различного функционального назначения требует постоянного расширения номенклатуры теплоизоляционных материалов повышенного качества, создания новых технологий производства высокоэффективных теплоизоляционных материалов для устройства многослойных систем утепления.

Основными теплоизоляционными материалами, широко применяемыми сегодня, являются минеральная вата и полистирольный пенопласт, которые при всех достоинствах имеют очевидные недостатки. Минеральная вата с течением времени при эксплуатации деструктурируется — дает усадку, образуя незащищенные от утечки тепла пространства, а полистирольный пенопласт является горючим материалом.

Теплоизоляционный ячеистый бетон обладает уникальным сочетанием физико-технических свойств (низкая теплопроводность, жесткость, негорючесть, высокая паропроницаемость), что позволит широко использовать его для утепления ограждающих конструкций и исключить основные недостатки, присущие многослойным системам утепления на основе минераловатных и пенополистирольных изделий.

В настоящее время в Республике Беларусь выпускаются плиты теплоизоляционные из ячеистого автоклавного бетона в соответствии с требованиями СТБ 1034—96. Основной номенклатурой теплоизоляционных изделий из ячеистого бетона являются плиты марки средней плотности 350-400 кг/м3. Это ограничение связано прежде всего с недостатками технологии получения ячеистого бетона однородной структуры. Улучшение теплозащитных свойств ячеистого бетона возможно при снижении его средней плотности, при этом снижение этого показателя не должно сопровождаться значительным снижением прочности.

При выпуске изделий пониженной средней плотности перед исследователями и производственниками возникли такие технологические проблемы, как диспергирование сырьевых компонентов при мокром помоле, интенсификация процессов структурообразования и стабилизация смеси во время вспучивания, сокращение времени выдержки изделий до и во время тепловой обработки.

Принципиальное отличие технологии ячеистого бетона автоклавного твердения состоит в длительном разрушающем действии газовых пузырьков на процесс возникновения новообразований, в результате чего процесс твердения сопровождается изменением объема. Эффективному решению всех этих проблем способствует введение различных химических добавок в ячеисто-бетонную смесь.

Единственным предприятием в Республике Беларусь, освоившим с 2002 г. производство плит марки по средней плотности D250, является ОАО «Гродненский комбинат строительных материалов».

Получение ячеистого бетона средней плотности 150-200 кг/м3 и допустимой прочности при сжатии является сложнейшей технологической задачей. У такого бетона 90—98% объема занимают газовые и капиллярные поры, поэтому межпоровый «скелет» должен быть прочным. Для получения такого бетона необходимо применение высококачественных материалов. Так, уже на стадии формования массива необходимо обеспечить безусадочную структуру (за счет тщательно подобранного состава), на стадии разрезки массива на изделия -получение требуемой прочности сырца бетона, исключающей разрушение бетона в местах реза струнами, сохранение формы массива при транспортировании его в автоклав. Величина минимально необходимой прочности ячеистого бетона обуславливается соображениями обеспечения сохранности изделий при транспортировке и укладке в процессе его производства.

Повышение прочности ячеистого бетона возможно за счет проведения направленного синтеза с целью повышения содержания гидросиликатов и наиболее прочных из них тоберморитовой и ксонотлитовой групп, уменьшения дефектов структуры бетона. Повышение содержания гидросиликатов обеспечивается за счет вовлечения в реакции силикатообразования большего количества кремнезема и извести, введением добавок.

В УП «НИИСМ» разработаны комплексные химические добавки для ячеистого бетона на основе солей жирных кислот СПК (ТУ РБ 100122953.312-2002). Добавка СПК разработана двух видов — для конструкционного ячеистого бетона марок по средней плотности D400—700 и для теплоизоляционного — марок по средней плотности D150-400.

Добавка СПК — раствор омыленной абиетиновой смолы, модифицированной жидким стеклом, которое способствует пластическому набору прочности сырцового массива. Техническая характеристика добавки приведена ниже.

Внешний вид……….Жидкость темно-коричневого цвета
Массовая доля сухих веществ, %, не менее……………….20
Плотность, г/см3…………………………1,1-1,2
PH ……………………………………….8,5-10

Добавка СПК обладает стабильной пенообразующей способностью с кратностью 15-20, стабильностью пены («время жизни» составляет более 4 ч).

Абиетат натрия, содержащийся в добавке СПК, взаимодействует с портландцементом с образованием резинатов кальция и алюминия, которые в отличие от стеаратов, или солей жирных кислот растворимы в воде, а главное, обладают адсорбирующей способностью диспергировать воздух в строительных растворах, то есть создавать благ оприятные условия для воздухововлечения (до 15% воздуха по объему). Гидросиликаты щелочных металлов стабилизируют массив особо легких ячеистых бетонов после созревания и сокращают время до-автоклавной выдержки.

В процессе исследований при разработке технологии ячеистого бетона пониженной плотности было установлено, что для улучшения качества пористой структуры ячеистого бетона предпочтительно использование газопенной технологии. Поризаиия смеси по этой технологии осуществляется за счет воздухововлечения и газообразования. Данная технология должна включать: аэрацию песчаного шлама в мельнице за счет введения добавки, аэрацию ячеисто-бетонной смеси в смесителе путем введения добавки и поризацию смеси в форме в результате газообразования.

Таблица 1
ПоказательРезультаты испытаний образцов
с добавкой СПК, % от сух.
без добавок0,150,30,5
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 235 178 187210
Теплопроводность в сухом состоянии при темп (298±5)°К, Вт/(м·К)0,0660,0560,057 0,06
Предел прочности при сжатии, МПа 0,80,820,9 0,96
Предел прочности при изгибе, МПа 0,180,180,270,29
Сорбционная влажность по массе Wс, % при φ=90% (эксплуатационная влажность для условий эксплуатации «Б», Изменение №2 СНБ 2.04.01-97)4,98 4,994,985
Таблица 2
 ПоказательНорма для марок
 150200 250300 350 400
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3126-175 176-225226-275276-325 326-375376-425
Теплопроводность в сухом состоянии при температуре (298±5)°К, Вт/(м·К), не более 0,055 0,060,070,080,090,11
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее0,30,45 0,550,60,81
Предел прочности при изгибе, МПа0,08 0,09 0,10,15 0,2 0,3
 Отпускная влажность, мас. %, не более 35 353533 (35)29 (35) 25 (35)
 Примечание. В скобках приведена отпускная влажность для плит теплоизоляционных на основе тонкоголосой извести и отходов ячеисто-бетонного производства.

В результате экспериментальных исследований были выработаны основные технологические требования, которые заключаются в следующем.

  1. В исходном состоянии ячеисто-бетонная смесь должна быть достаточно жидкой с высоким водотвердым отношением (В/Т) для обеспечения наилучших условий для образовании ячеистой структуры. При использовании смесей с более низким В/Т в период вспучивания происходит разрыв структуры и образование щелевидных пустот и свилей.
  2. Вспучивание смеси должно происходить в течение 6—12 мин, для устранения влияния температурных факторов окружающей среды.
  3. Стабилизация массива после завершения процесса вспучивания должна быть зафиксирована путем ускорения процессов схватывания и нарастания структурной прочности.
  4. Процесс вспучивания и стабилизация ячеисто-бетонной массы должен обеспечить получение структуры с диаметром пор менее 0,8 мм, более предпочтительно 0,5 мм, как наименее деформируемой.
  5. Вследствие действия гравитационных сил на нижние слои ячеистого бетона-сырца стабилизация макроструктуры и устранение ее деформаций могут быть достигнуты увеличением эластичности стенок, образующих ячейки. Благодаря этому газ, создающий поры, будет продолжительное время сохранять в них избыточное давление, позволяющее зафиксировать макроструктуру материала в исходном состоянии и ликвидировать оседание сырца.

По предложенной технологии были выпущены опытные партии теплоизоляционного ячеистого бетона марки по средней плотности D200. Технические характеристики образцов из опытно-промышленной партии приведены в табл. 1.

На основании результатов проведенных исследований были внесены изменения в СТБ 1034-96 «Плиты теплоизоляционные из ячеистого бетона» (срок введения 01.01.2004 г.), классификация изделий дополнена
марками по средней плотности D150, D200. Физикомеханические показатели плит теплоизоляционных из ячеистого бетона приведены в табл. 2.

Расширение производства и номенклатуры изделий из теплоизоляционного ячеистого бетона пониженной плотности требует повышения его физико-механических свойств. Наряду со значительными технико-экономическими преимуществами, которые способствуют его широкому применению в строительстве, ячеистые бетоны пониженной плотности имеют ряд недостатков. Это прежде всего низкая способность к восприятию растягивающих усилий, а также пониженная трещиностойкость, что создает определенные проблемы уже на стадии транспортировки изделий.

Одним из рациональных способов устранения данных недостатков может быть дисперсное армирование волокнистыми добавками. Наиболее доступным компонентом для дисперсного армирования являются сухие отходы асбестоцементного производства. В результате проведенных исследований было установлено, что присутствие в асбестоцементных отходах клинкерных минералов и гидроксида кальция может определять некоторые вяжущие свойства отходов. В данных отходах присутствуют волокна асбеста, проявляющие не только армирующие, но и структурообразующие свойства. Измельченный асбестоцемент можно рассматривать как кристаллическую затравку, содержащую в своем составе зародыши кристаллизации новообразований, возникшие при гидратации портландцемента.

В результате предварительных исследований нами установлено, что введение в состав ячеисто-бетонной смеси пониженной плотности (D150, D200) асбестоцементных отходов позволяет в 2—3 раза повысить предел прочности при изгибе. Введение асбестоцементных отходов в ячеисто-бетонную смесь целесообразнее на стадии приготовления песчаного шлама. Совместный мокрый помол асбестоцементных отходов и песка позволит сократить длительность помола и обеспечит безопасные условия работы.