Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.5

Д.В. ОРЕШКИН, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет

Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства

Развитие строительства в России должно осуществляться с учетом надежности, экологической и пожарной безопасности.

Известно, что надежность любого сооружения или конструкции складывается из надежности ее элементов, их однородности по структуре и свойствам [1]. При кладке на цементном растворе в ограждающих конструкциях из мелкоштучных элементов должно выполняться условие по теплотехнической однородности стены. Этого можно достигнуть при применении строительного раствора такой же средней плотности, как у материала блоков. Причем желательно, чтобы средняя плотность раствора в рабочем свежеприготовленном состоянии не отличалась от плотности стенового материала. Следовательно, водопотребность раствора должна быть невысокой. Это позволит существенно снизить влажностные и усадочные деформации. Одинаковая средняя плотность затвердевшего раствора и материала блоков значительно повысит теплотехническую однородность стены. Коэффициент ее однородности при этом может приближаться к единице.

В настоящее время энерго- и ресурсосбережение — две важнейшие проблемы современного строительства. Строительство требует использования большого количества кладочных и штукатурных растворов. Однако традиционные облегченные цементные растворы имеют недостаточную однородность по средней плотности, низкую прочность при высоком В/Ц.

Решение проблем строительства может быть достигнуто путем использования сверхлегких цементных растворов, которые имеют высокие реологические свойства и однородность структуры, обеспечивают высокую эксплуатационную надежность за счет применения полых стеклянных микросфер и суперпластификатора.

Обобщение современных научно-технических достижений и нормативных требований позволило заключить, что однородность однослойных ограждающих стен при использовании мелкоштучных изделий и существующих кладочных и штукатурных растворов не может быть обеспечена. При кладке элементов со средней плотностью 500—600 кг/м3 на обычные растворы создаются мостики холода, существенно снижающие теплозащиту стены. Более того, термический коэффициент линейного расширения в элементах конструкции стены также значительно отличается. Все традиционные облегчающие заполнители и наполнители имеют очень высокую водопотребность, что приводит к увеличению расслаиваемости раствора и влажности камня. С учетом этих требований при их использовании невозможно получить среднюю плотность раствора в рабочем состоянии меньше 1000 кг/м3. Современные кладочные и штукатурные растворы имеют среднюю плотность значительно выше, чем материал стен. Это приводит к существенному снижению коэффициента однородности стены (вплоть до 0,5), что увеличивает расчетное сопротивление теплопередаче до двух

раз. Возрастают трудозатраты и материалоемкость стены за счет ее утолщения.

Сейчас разработаны научно-технические основы получения облегченных и сверхлегких цементных растворов со средней плотностью менее 1000 кг/м3 с наиболее эффективным облегчающим наполнителем — полыми стеклянными микросферами.

В исследованиях было предположено, что использование в кладочном и штукатурном сверхлегком цементном растворе полых стеклянных микросфер позволит повысить однородность стены, термическое сопротивление теплопередаче за счет снижения коэффициента теплопроводности, а также увеличит время его расстилания на подложке и водоудерживающую способность, улучшит теплотехнические показатели ограждающих конструкций стен.

В исследованиях прочность определялась на образцах-призмах с размерами 4x4x16 см.

В состав образцов входили цемент ПЦ 500-Д0 Ста-рооскольского завода, вспученный перлитовый песок (ВПП) завода «Стройперлит» (г. Мытищи) марки М-75, насыпной плотностью 75 кг/м3. Применялся вермикулит вспученный (ВВП) производства АООТ «ДЗТИ» (г. Дмитров) насыпной плотностью 130 кг/м3, а также полые стеклянные микросферы (ПСМС) со средним размером 25 мкм из натрийборосиликатного стекла, суперпластификатор С-3. ПСМС серийно выпускаются в России и имеют среднюю плотность 0,24—0,28 г/см3, прочность при объемном сжатии 10—20 МПа. Толщина стенки этих микросфер 1—3 мкм. Кладочные и штукатурные растворы имели погружение конуса ПК=4—8, 8—10 и 10—14 см. Свойства растворов приведены в табл. 1, 2, рис. 1.

Анализ структуры и свойств камня и кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами, вспученными перлитовым и вермикулитовым песками (рис. 1) показал, что структура материала с ПСМС более плотная за счет снижения В/Ц более чем в 4 раза. Это обеспечивает существенное преимущество материала с ПСМС. Было произведено сравнение свойств растворов при примерно одинаковой средней плотности (от 1120 до 1170 кг/м3). Дальнейшее снижение средней плотности растворов с ВВП и ВПП невозможно из-за их

Таблица 1

Состав, мас. % 100% ПЦ+ В/Ц Средняя плотность образца, г/см3 Прочность, МПа

раствора в 28 сут сухого изгиб сжатие

30 ВПП 1,53 1,24 1,19 0,7 0,19 3,75

50 ВПП 2,61 1,14 1,12 0,55 0,08 1,4

30 ВВП 1,17 1,33 1,29 0,79 0,2 3,58

50 ВВП 1,9 1,17 1,16 0,6 0,1 1,42

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

34 июнь 2010 *

Рис. 1. Микроструктура цементного камня с ПСМС, вспученным перлитовым и вермикулитовым песками с одинаковой средней плотностью раствора: а - с 10 % ПСМС и СП; б - с 50 % ВПП; в - с 50 % ВВП

расслоения и значительного снижения прочности. Было доказано, что прочность при сжатии у камня с микросферами в 10 раз больше. Для прочности при изгибе кратность достигает более 40 раз. Влажность камня по массе с ПСМС в 4 раза меньше, чем у камня ВПП и ВВП, а водопоглощение ниже в 3 раза. Установлено, что при средней плотности раствора 700 кг/м3 средняя плотность камня с ПСМС в сухом состоянии 400 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,085 Вт/(м.оС). Данный материал имел прочность при сжатии в возрасте 28 сут — 3,2 МПа, при изгибе — 1,3 МПа, водопоглощение по массе 67,4 %, морозостойкость 25 циклов.

Было также выяснено, что пластическая прочность и напряжение сдвига у раствора с полыми стеклянными микросферами минимальны и обеспечивают низкие трудозатраты при кладочных и штукатурных работах. Установлено, что с увеличением расхода наполнителя пластическая прочность и напряжение сдвига при способности расстилаемости раствора на подложке снижаются. Раствор с ПСМС обеспечивает рабочее состояние

по показателю расстилаемости в течение 4—5 ч, что значительно выше таких показателей для раствора с перлитом (1,5—2,5 ч) и с вермикулитом (1,25—2 ч). Однако предельное значение пластической прочности у растворов с ПСМС при одинаковой средней плотности в 4,8—8 раз больше, чем у раствора с перлитом и вермикулитом (табл. 3, 4). Это обеспечивает монолитность стены во время схватывания и набора прочности. При расстилании растворов на основание из газобетона средней плотностью 700 кг/м3 время их рабочего состояния и реологические характеристики увеличиваются.

Была определена прочность сцепления строительных растворов на ВПП, ВВП и газобетоном с плотностью 500 и 700 кг/м3, а также полнотелым керамическим кирпичом. Прочность сцепления у камня с микросферами в 20 раз превышает такие значения у затвердевшего раствора с перлитом и вермикулитом за счет значительно более низкого В/Ц раствора и более плотной структуры камня. В результате исследований было выяснено, что растворы с микросферами имеют

Таблица 2

Состав, мас. % 100% ПЦ+ Плотность раствора, г/см3 В/Ц Влажность по массе, % Водопоглощение по массе, % Прочность, МПа

изгиб сжатие

ПК 10-14 см

10ПСМС 1,05 0,61 28,9 33,8 3,5 11,5

30 ПСМС 0,95 1,1 49,6 60,1 1,2 3,2

50 ПСМС 0,85 1,85 74,5 82 0,9 1,9

10 ПСМС+СП 1,12 0,53 20 28,7 3,8 13,5

30 ПСМС+ СП 0,91 1 35 44 2 4,1

50 ПСМС+СП 0,8 1,65 59,1 72,2 1,05 2,3

ПК 8-10 см

10ПСМС 1,35 0,49 24,1 30,29 4,41 14,94

30 ПСМС 0,85 0,97 45,2 57,68 1,66 4,06

50 ПСМС 0,71 1,52 55,4 62,85 0,99 2,31

10 ПСМС+СП 1,39 0,4 22,5 25,83 4,94 15,97

30 ПСМС+ СП 0,82 0,67 30,1 40,23 2,59 6,34

50 ПСМС+СП 0,67 1,3 50,2 62,67 1,37 3,36

ПК 4-8 см

10ПСМС 1,41 0,38 20 25,2 4,95 16,5

30 ПСМС 0,85 0,76 41,3 47,6 2,1 4,8

50 ПСМС 0,71 1,26 51,4 54,1 1,1 2,6

10 ПСМС+СП 1,45 0,33 19,4 20,3 5,5 17,7

30 ПСМС+ СП 0,81 0,54 24,4 35,4 3,1 8,03

50 ПСМС+СП 0,65 1,05 38,3 42,3 1,6 4,3

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы -- - ® июнь 2010 35

Таблица 3

Состав, мас. % 100% ПЦ+ Предельная пластическая прочность, х10-3 МПа раствора с ПК, см Предельное напряжение сдвига, х10-3 МПа раствора с ПК, см

4...8 8...10 10...14 4... 8 8...10 10...14

10ПСМС +СП 120 (360) 104 (390) 88 (420) 32 (360) 25 (390) 20 (420)

30 ПСМС +СП 76 (360) 52 (390) 51 (420) 22 (360) 22 (390) 16 (420)

50 ПСМС +СП 42 (360) 32 (390) 32 (420) 16 (360) 16 (390) 13 (420)

В скобках показано время определения показателя.

водоудерживающую способность более 90%. Это происходит благодаря поверхностной активности микросфер по отношению к воде затворения. При кладке мелкоштучных блоков такая водоудерживающая способность полностью обеспечивает качественные условия производства работ и набора прочности стены. Для растворов с ВВП и ВПП водоудерживающая способность гораздо ниже, что приводит к расслоению раствора и не обеспечивает достаточной его прочности после твердения. В работе установлено, что раствор с полыми стеклянными микросферами и суперпластификатором имеет лучшую однородность по средней плотности в отличие от растворов с ВВП, ВПП, имеющих большое во-доотделение и расслаивание по высоте. У растворов с ПСМС водоотделения и изменения средней плотности раствора по высоте нет.

Было выявлено, что у строительных растворов все свойства зависят от расхода СП и микросфер. Теплозащитные свойства разработанного материала значительно вырастают при уменьшении его влажности благодаря тому, что коэффициент теплопроводности ПСМС равен 0,027 Вт/(м.оС).

Анализ структуры камня штукатурных и кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами, вспученными перлитовым и вермикулитовым песками показал, что структура материала с ПСМС более плотная за счет существенно более низкого В/Ц. Так, при плотности раствора 1120 кг/м3 В/Ц меньше в 6 раз.

Было определено время стабилизации усадки. Для ячеистого бетона плотностью 400—500 кг/м3 оно составляет 2 недели, для кладочного раствора с ПСМС с погружением конуса 8—10 см — 3 недели, для штукатурного раствора с погружением конуса 10—14 см — 4 недели

Таблица 4

Состав, мас. % 100 % ПЦ + Средняя плотность раствора, г/см3 Время рас-стилаемос-ти, ч - мин В конце расстилаемости

пластическая прочность, х10-3 МПа напряжение сдвига, х10-3 МПа

10 ПСМС +СП 1,12 5-00 48 12

30 ПСМС +СП 0,85 4-30 20 6

50 ПСМС +СП 0,7 4-00 10 4

30 ВВП 1,33 1-30 16 14

50 ВВП 1,17 1-15 10 8

30 ВПП 1,24 2-00 16 12

50 ВПП 1,14 1-30 6 4

за счет более высокого водозатворения и низкого па-ропроницания растворов с ПСМС. Это позволяет строительным растворам с ПСМС более равномерно проходить период снижения влажности после кладки и штукатурки стен, что дает возможность формировать более прочную структуру цементного камня.

Прочность сцепления растворов с ПСМС с газобетонами марки Б500 была равна прочности последнего на отрыв, а с газобетоном марки Б700 была ограничена прочностью ячеистого бетона, но сцепление было уже в 10 раз больше. С керамическим кирпичом она резко возросла и достигла 4 и более МПа для камня с 10% ПСМС, а для камня с 10% ПСМС и СП - 4,5 МПа. Прочность сцепления камня с микросферами с основанием увеличивается при снижении подвижности раствора и уменьшается по мере роста расхода микросфер. Прочность сцепления растворов с ПСМС любого состава позволяет их использовать для оштукатуривания стен из ячеистого бетона средней плотности выше 500 кг/м3 и керамического кирпича. Результаты приведены в табл. 5.

Строительные растворы с ПСМС полностью соответствуют стандарту и имеют водоудерживающую способность более 90%. При сравнении растворов с погружением конуса 4-8 см, 8-10 см, 10-14 см было выяснено, что чем ниже содержание воды в растворе (меньше погружение конуса), тем выше водоудерживающая способность растворов с ПСМС. Это объясняется поверхностной активностью микросфер. В растворе с погружением конуса 4-8 см поверхностные силы микросфер, цементных частиц и новообразований обеспечивают водоудерживающую способность до 98%.

Была количественно оценена гелевая, капиллярная, воздушная пористость цементной матрицы в зависимости от состава и погружения конуса. Самая высокая гелевая пористость, самые низкие капиллярная и воздушная пористость определены у камня при погружении конуса 4-8 см. С увеличением погружения конуса и при повышении расхода микросфер гелевая пористость снижается, а капиллярная и воздушная возрастает. Причем гелевая пористость максимальна при расходе ПСМС 10% от массы ПЦ и равна 94% от всей пористости цементной матрицы. Установлено, что самая низкая гелевая пористость при расходе 50% ПСМС и погружении конуса 10-14 см. Это связано с количеством воды затворения. Все механические свойства у затвердевшего раствора с ПК = 4-8 см выше, чем у остальных растворов с ПСМС (табл. 6).

Были определены коэффициенты паропроницания и сопротивления паропроницанию растворов с ПСМС и СП с разной подвижностью (табл. 7).

Установлено, что коэффициент паропроницания снижался на 38% по мере уменьшения подвижности раствора. Рост сопротивления паропроницанию в этих условиях находится в пределах 20,1-28,2%. Следовательно, при таком паропроницании потери тепла через наружные стены и усадка при высыхании будут существенно ниже. Была выполнена проверка влагоудаления из конструкции стен - условие влагоудаления выполнялось.

Таким образом, на основании анализа научной литературы предлагаются положения для разработки облегченных, сверхлегких строительных растворов.

1. Целесообразность использования раствора в данной конструкции.

2. Технические требования к раствору.

Для кладочных, штукатурных растворов такими показателями являются [2, 3]:

- средняя плотность;

- однородность структуры в свежеприготовленном виде и при твердении;

- требуемая подвижность (по погружению стандартного конуса);

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

36 июнь 2010 *

Таблица 5

Состав, мас. % 100%ПЦ+ Прочность сцепления, МПа, с газобетоном D500 раствора подвижностью Прочность сцепления, МПа, с газобетоном D700 раствора подвижностью Прочность сцепления, МПа, с керамическим кирпичом раствора подвижностью

4...8 8...10 10...14 4...8 8...10 10...14 4...8 8...10 10...14

10 ПСМС 0,056 0,054 0,053 0,638 0,557 0,493 3,485 2,72 2,125

30 ПСМС 0,054 0,053 0,051 0,578 0,544 0,451 1,87 0,952 0,85

50 ПСМС 0,053 0,052 0,049 0,553 0,523 0,425 0,935 0,621 0,51

10 ПСМС +СП 0,058 0,055 0,054 0,068 0,621 0,536 3,825 2,78 1,998

30 ПСМС +СП 0,056 0,054 0,053 0,612 0,587 0,502 1,87 1,573 1,275

50 ПСМС +СП 0,054 0,052 0,049 0,553 0,536 0,468 1,275 1,029 0,935

Таблица 6

Состав, мас. % 100%ПЦ+ Пористость затвердевшего раствора, %, при погружении конуса, см

4-8 8-10 10-14

матрицы ПСМС общая матрицы ПСМС общая матрицы ПСМС общая

10 ПСМС 9,6 18,9 28,5 11 21,8 32,8 12,6 25,1 37,7

30 ПСМС 25,5 27,2 52,7 29 31,8 60,8 33,3 36,5 69,8

50 ПСМС 36,5 31,8 67,3 42 36,3 78,3 46 42,1 88,1

Таблица 7

Состав, мас. % 100%ПЦ+ Погружение конуса, см

4-8 8-10 10-14

Коэффициент паропроницания, мг/(м.ч.Па) Сопротивление паропроница-нию, м2.ч.Па/мг Коэффициент паропроницания, мг/(м.ч.Па) Сопротивление паропроница-нию, м2.ч.Па/мг Коэффициент паропроницания, мг/(м.ч.Па) Сопротивление паропроница-нию, м2.ч.Па/мг

10ПСМС 0,0063 1,196 0,0076 1,015 0,0087 0,915

30 ПСМС 0,0254 0,35 0,0305 0,328 0,0351 0,273

50 ПСМС 0,0415 0,231 0,0498 0,2 0,0573 0,187

— сроки расстилаемости (по реологическим свойствам) и схватывания (по прибору Вика);

— водоудерживающая способность (не менее 90%);

— прочность при сжатии (не менее 1 МПа) и изгибе в возрасте 28 сут (не менее 0,5 МПа);

— прочность сцепления штукатурного раствора с основанием в возрасте 28 сут (не менее 0,2 МПа для внутренних работ и не менее 0,4 МПа — для наружной штукатурки);

— морозостойкость для кладочных растворов и наружных штукатурок (не менее 25 циклов).

3. Требуется учитывать, что, если средняя плотность раствора больше 1000 кг/м3, то увеличение воды затво-рения снижает среднюю плотность раствора [2, 3]. Если же средняя плотность раствора меньше 1000 кг/м3, то уменьшение воды затворения снижает и среднюю плотность раствора. Последнее обстоятельство делает применение супер- и гиперпластификаторов в таких цементных системах наиболее эффективным. У гиперпластификаторов, правда, есть существенный недостаток — нестабильность сроков схватывания.

На основании научных исследований были разработаны технические условия, технологические регламенты

на приготовление и применение кладочного и штукатурного растворов с полыми стеклянными микросферами.

Ключевые слова: облегченные строительные растворы, полые стеклянные микросферы, перлитовый и верми-кулитовый песок.

Список литературы

1. Сахаров Т.П. Методологические основы материаловедения и технологии строительных материалов: Сб. науч. трудов ИСА МГСУ. М.: МГСУ, 2008. С. 18-22.

2. Кириллов К.И., Орешкин Д.В. Эффективные кладочные растворы: Сб. докл. научно-техн. конф. Строительная физика в XXI веке. М.: НИИСФ. 2006. С. 120-133.

3. Пашкевич А.А., Орешкин Д.В., Ляпидевская О.Б. Сухие строительные смеси с полыми микросферами // Сб. V межд. конф. Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Волгоград.: ВолГАСУ, 2009. С. 207-211.

4. Первушин Т.Н., Орешкин Д.В. Проблемы трещинос-тойкости облегченных цементных материалов. Ижевск: ИжГТУ, 2003. С. 212.

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы -- - ® июнь 2010 37