CC BY
36УДК 691.327.333
Л.Д. ШАХОВА, д-р техн. наук, БГТУ им. В.Г. Шухова; С.А. САМБОРСКИЙ, ген. директор ООО «СОТИМ», г. Старый Оскол; Ж.А. ПАЛАЛАНЕ, инженер, БГТУ им. В.Г. Шухова
Причины деформационных усадок пенобетонов
Важное практическое значение в формировании здорового экологически чистого жилища имеют разрабатываемые в настоящее время государственный сани-тарно-экологический стандарт жилища и технический регламент на строительные материалы и изделия. Переход на многослойные конструкции с использованием пенополистирола, минеральной ваты и других теплоизоляционных материалов не всегда оправдан из-за того, что планируемый срок службы зданий, возводимых с их применением, значительно превышает фактический срок нормальной эксплуатации этих материалов. Расширение использования таких конструкций сдерживается также их недостаточной огнестойкостью, вредным экологическим воздействием на человека при пожаре и рядом других факторов.
Оптимальным решением проблемы повышения эко-логичности жилья и теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий, снижения стоимости их возведения может стать использование для их производства теплоизоляционного пенобетона. Этот материал выгодно отличается своими характеристиками от многих традиционных теплоизоляционных материалов.
Одним из существенных недостатков пенобетонов являются значительные усадочные деформации, приводящие к образованию на поверхности и по объему изделий трещин, что значительно снижает строительно-эксплуатационные показатели изделий. Особенно подвержены трещинообразованию пенобетонные изделия средней плотностью ниже 600 кг/м3. Как показал анализ литературных источников, причины и механизм усадки и трещинообразования в высокопористом пенобетоне в результате усадочных деформаций еще недостаточно изучены [1, 2]. Как правило, в литературе по пенобетону большое внимание уделяется только усадочным явлениям, возникающим в процессе эксплуатации. Причем анализ деформаций ведется с точки зрения тяжелых бетонов без учета особенностей технологии и структуры высокопоризованных материалов.
Длительный опыт промышленного выпуска пенобе-тонов разной плотности показал, что закономерности, существующие в технологии тяжелых бетонов, неприменимы для поризованных бетонов, особенно низкой плотности.
На сегодняшний день закономерности, определяющие устойчивость поризованных минеральных систем на стадии формования, а также взаимосвязи свойств готовых изделий с технологическими параметрами его изготовления, находятся в стадии разработки и обоснования научно-технических основ.
Длительные наблюдения процесса изготовления на промышленных установках, а также целенаправленные исследования процессов деформации в лабораторных условиях позволили классифицировать деформационные усадочные явления пенобетона:
первичные (технологические) — деформационные трещины, возникшие в теле пенобетонного массива в течение первых 7 сут;
вторичные (эксплуатационные) — деформационные усадочные трещины, возникающие в пенобетонных изделиях в процессе эксплуатации.
Факторы, определяющие деформационные изменения на каждом этапе изготовления и эксплуатации, представлены на рис. 1.
Деформационные усадочные явления в пенобетоне отмечаются в течение первого месяца и более. Следует отметить, что первичные (технологические) причины деформаций пенобетонов в дальнейшем определяют и вторичные (эксплуатационные) деформации. При неправильно выбранных сырьевых компонентах, несоблюдении тепловлажностного режима твердения и хранения на складе пенобетонные блоки при эксплуатации будут подвержены сильным усадочным явлениям. Это связано с формированием дефектной ячеистой структуры, имеющей капиллярные и сквозные поры, по которым атмосферная влага и углекислый газ будут поступать внутрь массива и вызывать при изменении тепловлажностных условий влажностную и карбонизационную усадку.
Особую роль в технологии пенобетона играет цемент, так как его удельная поверхность, вещественный и минералогический состав определяют химический потенциал на границе фаз, скорость схватывания и твердения цементного раствора. Кроме того, количество тепла, выделяющееся при твердении цемента, определяет температурные градиенты по глубине массива. Деформационные явления, связанные с температурными градиентами в теле пенобетонной массы, отмечались в работах [3, 4].
Деформации массива пенобетона, связанные с высоким содержанием трехкальциевого алюмината в цементе, были отмечены при выпуске пенобетона низкой плотности на турецком цементе CEM I 42,5 с удельной поверхностью свыше 440 м2/кг и содержанием С3А до 12 мас.%, а также на цементе ПЦ500-Д0 ЗАО «Осколце-мент» с удельной поверхностью 340 м2/кг и содержанием С3А =11,2 мас.% (ООО «СОТИМ» г. Старый Оскол). При этом технологические параметры выпуска пенобетона плотностью 250—300 кг/м3 были постоянными. При выпуске пенобетонов плотностью ниже 400 м2/кг используется, как правило, только цемент при расходе 300—400 кг/м3 пенобетона. Количество выделившегося тепла в этом случае может достигать 180—200 МДж/м3 пеноцементной массы. Из-за высокой скорости выделения теплоты и низкой теплоотдачи пенобетонной массы температура в центральной части пенобетонного образца достигала 80—90оС. При этом создавались внутренние температурные напряжения в пенобетонном массиве. Деформационные трещины шли от центрального ядра массива к периферии (рис. 2).
При выпуске пенобетона с заполнителем (плотность свыше 700 кг/м3) в металлических формах с перегородками эти деформации менее заметны, так как выделившееся тепло при гидратации цемента расходуется на разогрев заполнителей, а металлические стенки и перегородки форм легко отводят тепло от центра массива.
В процессе формирования поризованной структуры большую роль играют поверхностное натяжение на границе жидкость—газ, определяемое свойствами пенообразователей. Выбор типа пенообразователя определяет устойчивость пенобетонной смеси до затвердевания и высокое качество пенобетона. При получении пенобе-тонов с низкой плотностью необходимо использовать
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q-j*jjсу,[-¡^j\Ljj.jLjjS
84 март 2010
ь
л
ь л е т а
т е в
н т о
е и з
м е н а
л о п а со р б о о н е П
Вторичные (эксплуатационные)
ZГЛ
1 Минералогический состав клинкера
2 Вещественный состав цемента
3 Удельная поверхность
1 Модуль крупности
2 Содержание примесей
Рис. 1. Причины деформации пенобетона
!б
• яяш 1 !
1
1 п т
г мнг
Рис. 2. Деформации пенобетонных блоков: а - через 12 ч на турецком цементе; б - через 7 дней на оскольском цементе; в - через 10 ч на турецком цементе
пептидные пенообразователи, обладающие высокими структурно-механическими свойствами пенных пленок. При этом формируется мелкопористая структура с меньшим количеством сквозных пор (рис. 3).
Результаты наших многочисленных экспериментов и промышленный опыт выпуска пенобетонов плотностью 250—300 кг/м3 в ООО «СОТИМ» показывают, что прочность изделий на пептидных пенообразователях при равной плотности выше примерно на 15—50%,
чем у пенобетонов, изготовленных на синтетических пенообразователях.
Деформационные напряжения в пенобетонном массиве могут возникать в процессе смешивания компонентов. Однако такие данные пока не отслежены, так как провести сравнительный анализ не представляется возможным.
Из всех составляющих усадочных явлений наибольшую опасность представляют влажностная и карбониза-
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Я! : ® март 2010 85
Рис. 3. Структура пенобетона на пептидном пенообразователе
ционная усадка. Пенобетон особенно сильно подвержен усадкам по двум причинам: пористость его способствует быстрому прониканию воздуха, а вместе с ним и влаги внутрь пенобетона, а поэтому он увлажняется или высыхает много быстрее, чем обыкновенный бетон на гравии или щебне. Практические наблюдения показывают, что высыхание с поверхности пенобетонных изделий происходит быстрее, чем изнутри. Быстрее всего высыхают кромки и углы изделий, а это ведет к тому, что усадка обнаруживается больше всего у углов, затем у ребер, по поверхности плит и меньше всего внутри, посередине. Вследствие протекания процессов массо- и теплопереноса наружные слои пенобетона стремятся сократиться, а внутренние части препятствуют сокращению. Это приводит к тому, что материал наружных слоев не выдерживает, появляются сначала очень тонкие и неглубокие трещины, а затем по мере дальнейшего высыхания трещины углубляются и расширяются. И чем слабее материал, тем легче появиться трещине, тем она будет опаснее. Для того чтобы усадка была одинаковой по всему объему, необходимо равномерное распределение влаги в бетоне по сечению изделия с небольшим влажностным градиентом. Такое распределение влаги будет зависеть как от внешних условий твердения (температура и влажность), так и от внутренних, определяемых капиллярно-пористой структурой бетона.
Карбонизационная усадка бетона и цементного камня зависит от множества внешних и внутренних факторов: относительной влажности атмосферного воздуха, проницаемости и пористости материала, температуры, давления, условий гидратации и влажности цементного камня, концентрации СО2 в окружающей среде. Наибольшему влиянию карбонизации поддается гидроксид кальция Са(ОН)2, входящий в состав продуктов гидратации. Для ячеистых бетонов, по данным некоторых исследователей, минимальное значение влажности, при котором реакция карбонизации не происходит, составляет 10—12 %. Визуально образцы пенобетона, в которых проходит карбонизационная усадка, приобретают светло-желтый цвет. Особенно интенсивно карбонизационная усадка протекает в теплоизоляционных пенобетонах: чем меньше плотность пенобетона, тем легче углекислому газу проникнуть в глубь материала. У конструкционных же пенобетонов плотностью 700—900 кг/м3, пролежавших на открытом воздухе достаточно долго, на изломе образца четко видна граница раздела, по которому прошла реакция карбонизации.
Не менее важна последовательность протекания процессов высыхания и карбонизации. Она в значительной степени определяет величину общей усадки цементного камня. Одновременное высыхание и карбонизация бетона приводят к меньшей усадке, чем в случае, когда карбонизация происходит после высыхания, так как в первом случае карбонизация происходит при относительной влажности более 50%, а при этих условиях усадка за счет карбонизации очень мала. Таким образом, в первую очередь необходимо выявить основные причины деформаций.
Для снижения технологических деформационных явлений в пенобетоне следует правильно выбирать тип цемента и пенообразователя, строго соблюдать технологические режимы твердения изделий. На ООО «СОТИМ» удалось дополнительно снизить усадочные явления в теплоизоляционном пенобетоне плотностью 250 кг/м3 путем применения мелкозернистых песков, полимерной микрофибры и обработки поверхности изделий специальными полимерными составами. Полимерные составы наносят на поверхность изделий, которые находятся в воздушно-влажном состоянии. При этом паро- и воздухопроницаемость снижаются всего на 10—15%.
Для снижения усадочных явлений, которые могут возникнуть в процессе монтажа и эксплуатации, следует ограждать изделия от сквозняков и попадания прямых солнечных лучей.
Ключевые слова: пенобетон, деформационная усадка, поризованная структура
Список литературы
1. Каримов И. Усадка цементного камня и бетона при высыхании (литературный обзор) [Электронный ресурс] Уфа. 2006. 15 с. Режим доступа: http://dh.ufacom.ru
2. Квернадзе А.М., Тогонидзе В.Н., Иваниадзе Г.Г., Дала-кишвили Г.Л. Изучение твердения и усадки бетона в ранней стадии методом голографической интерферометрии // Бетон и железобетон. 1990. № 7. С. 19—20.
3. Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Карабут Л.А., Бескоро-вайный В.М. Повышение эффективности производства пенобетонов неавтоклавного твердения // Строит. материалы. 2008. № 1. С. 24-25.
4. Шахова Л.Д., Черноситова Е.С. Ускорение твердения пенобетонов // Строит. материалы. 2005. № 5. С. 3-7.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
86 март 2010
