Связь макроструктуры ячеистых бетонов с их прочностью

Беспристрастный анализ современных публикаций, освещающих связь макроструктуры ячеистых бетонов с их прочностью, породил у меня определенные сомнения. Освещая одно и то же явление, ссылаясь на одни и те же первоисточники, современные авторы, порой, трактуют их взаимоисключающим образом.

Возникло жгучее желание определиться с этими самыми первоисточниками и ознакомиться с “голыми” результатами исследований не отягощенными еще грузом многолетних цитирований и пересказов последователями…

Исследования зависимости прочности марок бетона ячеистого типа от их объемного веса показали, что эта зависимость не линейна. На основании многочисленных экспериментальных данных установлено, что в интервале плотностей от 300 кг/м3 до 1200 кг/м3 графически её можно отобразить в форме сложной кривой параболического характера. На этой кривой можно выделить 4 фрагмента ограниченных следующими показателями плотности: 300 – 650, 650 – 740, 740 – 1200, 1200 - 1800 кг/см3 .

Впервые, связи между макроструктурой ячеистых бетонов - газопенобетон, пенобетон и т.д. - (а следовательно и пористостью) и их прочностью было дано теоретическое обоснование Логиновым Г.И. и Филиным А.П. Исследователи на основании строгих математических моделей характеризующих заполняемость единицы объема шарообразными телами вывели и столь же строгие закономерности описывающие идеальную структуру ячеистого бетона.

Известно, что наиболее плотной упаковкой шарообразных тел одинакового диаметра (в нашем случае это пузырьки пены) является их гексагональная укладка. При такой укладке в бетоне строго сферические поры одинакового диаметра создадут объемную пористость, равную 74.05%. Таким образом, минимально достижимый объемный вес ячеистого бетона с порами одинакового диаметра зависит исключительно от плотности сырьевых компонентов применённых, которые использовались на производстве завода ячеистого бетона. Для ячеистого бетона (при плотности бетона 2730 кг/м3) она составит – 700 – 720 кг/м3, для ячеистого силиката (при плотности силикатного бетона – 2690 кг/м3) – 690 – 710 кг/м3, для ячеистого шлакозолобетона (при плотности шлакозолобетона – 2760 кг/м3) – 710 – 720 кг/м3 и т.д.

Безусловно, гексагональная упаковка является теоретически предельной упаковкой пор. В действительности, в силу случайного характера расположения пор, их упаковка может лишь приближаться к гексоганальной, но никак не достигать её. Поэтому лишь в ячеистых бетонах объемным весом свыше 700 кг/м3 желательно иметь большинство пор одинакового размера. Для более легких видов ячеистого бетона, как показывают теоретические исследования, наиболее оптимально некое смешанное сочетание пор разного диаметра.

(Это “… некое смешанное сочетание…” также имеет строгое математическое обоснование и столь же строгое наименование – модальность. Под модальностью данного непрерывного распределения пор по радиусам их сечений называют значение, при котором эмпирическая плотность вероятности ( ?n/n?r ) достигает максимума, - во загнул, аж самому понравилось. Если по русски, для нормальных людей, - наиболее оптимально, когда размеры пузырьков пены разнятся друг от друга примерно в полтора раза, а если математически точно, то в 1.63 раза).

Если же стремиться к получению в ячеистых бетонах с объемной пористостью выше 74% (плотность меньше 650 кг/м3) одинаковых по размеру сферических пор, то при этом получатся такие нежелательные для макроструктуры явления, как объединение пор, увеличение числа пор, сообщающихся между собой, резкое отклонение от сферичности пор и т.д. Совершенно естественно ожидать, что зависимость технических свойств ячеистых бетонов от объемного веса должна резко меняться при значениях объемного веса, равных приблизительно 650 – 700 кг/м3.

Исходя из вышесказанного, необходимо разрабатывать такую технологию производства пористых строительных материалов, и, в частности, ячеистых бетонов, которая позволяла бы получать конструктивные изделия (воздушная пористость менее 74%) с равномерно распределенными порами одинакового размера и максимально приближающимися по своей форме к сферической. А теплоизоляционные изделия (воздушная пористость 75 – 95%) с двумодальным распределением по размерам воздушных округлых пор, при котором мелкие сферические поры будут расположены между более крупными сферическими порами.

Учеными разных стран давно и интенсивно ведутся поиски новых технологических приемов, позволяющих оптимизировать макроструктуру ячеистых бетонов и в конечном счете повысить их технические и эксплуатационные свойства. Однако, используя один и тот же технологический прием для улучшения свойств как конструктивного, так и теплоизоляционного ячеистых бетонов, не удается получить ожидаемого эффекта для всех значений объемного веса. Так разработанная в НИИЖБе технология получения газобетонов, основанная на применении смесей с повышенной дозировкой воды, позволяет изготавливать изделия с лучшими физико-техническими свойствами в интервале 600 – 700 кг/м3. Данная технология обеспечивает получение пористой структуры с двумодальным распределением пор по размерам независимо от объемного веса: первый максимум приходится капиллярные поры, в стенках газовых пор; второй максимум приходится на поры, возникающие в процессе пенно- или газо- образования. При значениях пористости свыше 74 – 75% и особенно в интервале 74 – 80% именно такая модальность распределения пор заметно повышают физико-технические свойства изделий.

Как показали работы проводившиеся рядом исследователей, для получения конструктивных ячеистых бетонов объёмным весом свыше 700 кг/м3, очень эффективной и многообещающей является технология, основанная на совмещении процесса газовыделения с вибрированием смесей, характеризующаяся пониженным водотвердным отношением, - метод вибровспучивания. Суть этого метода состоит в том, что при вибрировании смеси, все её составляющие находятся в непрерывном движении, поэтому образующиеся на поверхности алюминиевой пудры газовые пузырьки отрываются и равномерно распределяются во всём объеме массы. Кроме того, при применении метода вибровспучивания процесс газовыделения происходит весьма интенсивно а пластично-вязкие свойства поризующегося раствора, за счет вибрации поддерживаются постоянными. Это приводит к тому, что с поверхности алюминиевой пудры, как бы не колебалась её гранулометрия, в массу отделяются пузырьки строго одинакового размера.

Применение метода вибровспучивания позволяет обеспечить получение ячеистой массы с равномерно распределенными порами практически одинакового диаметра. Кроме того, пониженное на 20 – 25% количество воды затворения в сочетании с уплотняющим воздействием вибрации в момент структурообразования обеспечивает получение плотных стенок одинаковой толщины, которые примерно на 30% прочнее, аналогичных, но полученных без внешнего вибровоздействия.

Для получения изделий с пористостью свыше 75% и, особенно, для легких теплоизоляционных бетонов с объёмным весом 350 кг/м3 и ниже, целесообразно переходить на разработанную в начале 50-х годов в Германии технологию вибровспученных газопенобетонов. Её суть – комбинированное порообразование при помощи воздухововлекающих и газообразующих добавок.

Технология вибровспученных газопенобетонов основывается на следующем. Путем активного перемешивания, которое осуществляет скоростной бетоносмеситель либо вибросмеситель, происходит предварительная гидратация вяжущего и его активация. Для интенсификации процесса добавляется крупная фракция заполнителя – обычно это песок.

Параллельно в подобном же смесителе смешивается оставшаяся мелкая фракция заполнителя (обычно зола-унос тепловых электростанций) с пенообразователем и газообразователем. Пенообразователем служат ПАВ способные в щелочной среде очень сильно снижать свою пенообразующую способность (олеат натрия, мылонафт, SDO-L и т.д.). Газообразователь традиционный, - обыкновенная алюминиевая пудра. В процессе перемешивания поверхностно-активные вещества смывают с алюминиевой пудры консервирующий слой стеарина, переводя тем самым её из гидрофобной модификации, в гидрофильную. Благодаря этому, даже весьма малые количества алюминиевой пудры, в отличие от традиционных способов, легко и очень равномерно распределяются во всем объеме пульпы. Для обеспечения обильного воздухововлечения и недопущения предварительного газообразования, затворение пульпы ведется на умягченной воде. Получаемые воздушные пузырьки стабилизируются (иногда этот процесс называют – “бронируются”) ультрадисперсным наполнителем – золой-уносом и субультрадисперсной алюминиевой пудрой. В итоге полученный пенно-пульпо-шлам способен даже без намека на седиментационные процессы (водоотделение) храниться несколько суток.

На третьем этапе дозируют в нужных пропорциях и смешивают активизированный цементный раствор и пено-пульпо-шлам. В процессе этого перемешивания наружная оболочка пузырьков воздуха, состоящая из водорастворимой натриевой или калиевой соли ПАВ и бронирующих её алюминиевой пудры и золы-уноса вступает в химическую реакцию с гидроокисью кальция, выделившейся из цемента. В результате обменно-замещающих реакций по кальцию, ранее водорастворимое ПАВ превращается в водонерастворимую модификацию, тем самым дополнительно укрепляя стенки воздушного пузырька. На этом, процесс насыщения раствора мелкими порами завершается.

Затем полученный мелкопоризованный раствор быстро разливают в формы и сразу же подвергают вибрации. Химическая реакция между цементом и алюминиевым порошком с выделением водорода, формирующего крупные поры, по обычной технологии достаточно длительна – до 40 – 50 минут (для интенсификации процесса применяют подогрев, но и это не решает проблему кардинальным образом). Кроме того, в традиционной технологии, для того, чтобы дать возможность образующимся газовым пузырькам беспрепятственно всплывать и насыщать весь объем, применяют достаточно жидкие и подвижные смеси. После окончания порообразования они подвержены релаксационным изменениям – попросту садятся. При малейшем отклонении от оптимальных параметров процесса производства, похолодало например, даже зверские дозы ускорителей схватывания и твердения порой не способны нормализовать ситуацию должным образом – получается брак.

Под воздействием же вибрации, процесс газообразования сокращается до нескольких минут. Кроме того, в присутствии гидрофобных добавок изменяются все показатели характеризующие пластическую вязкость смеси. Вкупе с вибрацией это способно настолько псевдоожижить смесь, что даже первоначально густые и малопожвижные составы приобретают текучесть даже больше чем у воды! И что главное, при снятии вибровоздействия, поризованная смесь мгновенно настолько загустевает, что распалубовку можно производить сразу же.

 

1. Левин Н.И. Основные механические и упругие свойства ячеистых бетонов. // в сборнике ЦНИИСК “Исследования по каменным конструкциям”, 1957 г.

2.Калнайс А.А., Тетерс Г.А., Шкербелис К.К. Исследование прочности и деформативности конструктивного газобетона. //в сборнике АН Латвийской ССР “Исследования по бетону и железобетону. Сборник статей. Выпуск IV”, 1959 г.

3. Меркин А.П., Филин А.П., Земцов Д.Г. Формирование макроструктуры ячеистых бетонов.// в журнале “Строительные материалы” №12, 1963 г.