CC BY
3
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЯЧЕИСТОМ БЕТОНЕ Аббасова С.Р.1, Джафарова Н.А.2, Садыгова М.Ю.3
1Аббасова Сона Рахиб - магистр, 2Джафарова Нахида Али - кандидат химических наук, доцент, 3Садыгова Мехпара Юнис - лаборант, кафедра химии и технологии неорганических веществ, химико-технологический факультет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: в статье представлена подробная информация о ячеистом бетоне, его истории, видах, свойствах и областях применения. Установлено, что пористый бетон, применяемый с XIX века, является разновидностью легкого бетона и обладает преимуществами как звукоизоляционного, так и теплоизоляционного материала. Описаны и обоснованы теоретические принципы снижения экономических затрат на строительство зданий и объектов, обеспечения их надежной и устойчивой эксплуатации из газобетона, изготовленного с использованием промышленных и строительных отходов в качестве вторичного сырья. Основные результаты представленных исследований показывают современный уровень развития пенобетонов на цементной основе и их недостатки, которые требуют дальнейшего исследования. Ключевые слова: пористый бетон, газобетон, легкий бетон, пенобетон, изоляционные материалы.
MODERN VIEWS ABOUT CELLULAR CONCRETE Abbasova S.R.1, Jafarova N.A.2, Sadigova M.Yu.3
1Abbasova Sona Rakhib - master, Jafarova Nahida Ali - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, 3Sadygova Mehpara Yunis - laboratory assistant, DEPARTMENT OF CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF INORGANIC SUBSTANCES, FACULTY OF CHEMICAL
TECHNOLOGY, AZERBAIJAN STATE UNIVERSITY OF OIL AND INDUSTRY, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: the article provides detailed information about cellular concrete, its history, types, properties and areas of application. It has been established that porous concrete, used since the 19th century, is a type of lightweight concrete and has the advantages of both sound-proofing and heat-insulating material. The theoretical principles of reducing economic costs for the construction of buildings and facilities, ensuring their reliable and sustainable operation from aerated concrete made using industrial and construction waste as secondary raw materials are described andjustified. The main results of the presented studies show the current level of development of cement-based foam concrete and their shortcomings, which require further research.
Keywords: porous concrete, aerated concrete, lightweight concrete, foam concrete, insulating materials.
Газобетон - это разновидность легкого бетона, состоящего из смеси бетонного теста с воздухом или некоторыми газами при помощи пенообразователей. По сравнению с обычным бетоном он имеет множество преимуществ, таких как меньший коэффициент теплового расширения и хорошая звукоизоляция за счет воздушных пустот в пористом бетоне [1]. Плотность такого бетона может варьироваться в пределах 400-1850 кг/м3. Газобетон был впервые использован в Стокгольме, (Швеция), в начале 1900-х годов. Исходный материал был известен как "газобетон" и использовался в производстве теплоизоляционных строительных материалов. Пенобетон был впервые запатентован А. Эриксоном в 1923 г. [2]. Первое комплексное исследование пенобетона было представлено Валоре в 1954 году, а подробный метод исследования - в Руднаи, Шортом и Киннибургом в 1963 году. За последние 25 лет значительные усовершенствования производственного оборудования и повышение качества поверхностно-активных веществ (пенообразователей) позволили расширить применение пенобетона [3, 4]. Благодаря простоте производственного процесса, применению в качестве перегородок, легких строительных элементов, дорожных наполнителей производство такого бетона считается экономичным способом крупномасштабного производства легких строительных материалов и комплектующих. Пористый бетон широко использовался в строительных программах различных стран, таких как Германия, Великобритания, Филиппины, Турция и Таиланд [5-7].
Хотя газобетон изначально задумывался как изоляционный материал, интерес к его структурным
свойствам возобновился из-за его меньшего веса, экономии материалов и возможности крупномасштабной утилизации отходов, таких как зола-унос, пылевидная топливная зола [8-12]. Таким образом, весьма интересным является сбор и анализ существующей информации по газобетону за последние годы. Целью настоящего обзора является классификация исследований по структуре материала и свойствам пористого бетона.
Пористый бетон на практике встречается под разными названиями: пенобетон, газобетон (газосиликат). Их структура и состав практически одинаковы. Разница лишь в технологии изготовления (схема 1). Так, во всех перечисленных типах увеличивается объем бетонной смеси и образуются мелкие поры в результате применения вспенивающего агента: алюминиевой пудры (газобетона, газосиликата), синтетических или органических пенообразователей (пенобетон).
Отличается и способ твердения газобетона: твердение пористой смеси осуществляется в автоклавных условиях, под высоким давлением, с влажно- термической обработкой. Бетон, приготовленный таким способом, известен своей высокой текучестью, низким расходом цемента, малым использованием наполнителя [13, 14] и отличной теплоизоляцией [15, 16].
Пористый бетон
Схема 1. Классификация легкого газобетона.
На крупных заводах изготовленные таким образом бетонные конструкции можно получать любых размеров. Однако мелкоразмерные ячеистые бетонные блоки можно сушить и на воздухе. В это время расход вяжущего должен быть немного больше. Такой бетон называют газобетоном. На практике автоклавный газобетон заводского изготовления называют газосиликатным. Этот вид пористого бетона производится с учетом всех технологических требований. Он содержит больше извести и имеет светло-серый, почти белый цвет [17].
В состав газобетона входят основные и дополнительные компоненты. Основными компонентами, как и в классическом бетоне, являются цемент, песок и вода, а дополнительными материалами - различные техногенные отходы: летучая зола, шлам, шлак, пенящиеся вещества и пластификаторы.
Цемент - самое распространенное вяжущее вещество в газобетоне. Типы используемого цемента: обычный
портландцемент, быстросхватывающийся портландцемент, сульфоалюминатный цемент и высокоглиноземистый цемент, которые можно использовать в количестве от 25% до 100% содержания связующего [1, 18-20]. Однако другие добавки, такие как микрокремнезем, летучая зола, известь, зола мусоросжигательных заводов, шламы и суспензия, могут заменять содержание цемента от 10% до 75% по массе [27, 28]. Для улучшения сцепления, прочности и стоимости смеси используются дополнительные материалы в качестве частичной замены свойств бетона [29, 30].
Алюминиевая пудра с содержанием активного алюминия 80 % (ТУ 1791-001-757547390) в основном применяется в технологии газобетонных изделий в качестве добавки. В качестве другого газогенератора применяют газовые пасты и смесь ферросилиция, диспергированного с алюминиевым порошком, комплексным газогенерирующим агентом, иногда также пергидроль - Н2О2.
В качестве поверхностно-активных веществ можно использовать поверхностно-активные моющие средства с рН=11 [21]. Добавку алюминия [10] (обычно около 0,2-0,5 % от сухой массы цемента) можно вводить в виде пыли, порошка или гранул. В случае распыленной частицы ее длина, ширина и толщина примерно одного порядка, тогда как длина или ширина чешуйчатой частицы может в несколько сотен раз превышать ее толщину. В производстве газобетона алюминиевый порошок часто изготавливается из обрезков фольги и состоит из микроскопических частиц алюминия чешуйчатой формы. Алюминиевая пыль с размером частиц менее 100 мкм и особенно фракциями менее 50 мкм легко образует легковоспламеняющиеся аэросуспензии (облака пыли) при заливке или вибрации.
Пенообразователи могут быть синтетическими или на белковой основе. Путем добавления пенообразователей (моющих средств, смолы гидролизованного белка, крови животных, сапонина и др.) в бетоне создаются замкнутые воздушные пространства в виде пузырьков [18, 22]. Пенообразователи на белковой основе образуют более прочную и закрытоячеистую структуру пузырьков, которая позволяет проникать большему количеству воздуха и в то же время обеспечивает более стабильную сеть пор, тогда как синтетические дают меньшую плотность из-за большего расширения [23, 24]. Сообщалось, что чрезмерное смешивание пены приводит к уменьшению объема [25]. Время перемешивания также оказывает существенное влияние на вспенивание смеси. По мнению авторов [26], чем больше время перемешивания, тем больше увлекаемого воздуха, однако длительное перемешивание может снизить содержание воздуха и привести к потере внутреннего воздуха [10, 12]. Кроме того, химические добавки, снижающие водопотребность смеси, могут вызвать нестабильность пены. Пенообразователей можно классифицировать по типу пенообразователя: синтетика - подходит для плотности от 1000 кг/м3 и выше; белок - подходит для плотности от 400 кг/м3 до 1600 кг/м3. Вес пенопластов на белковой основе составляет около 80 г/см3. Белковые пенообразователи получают из животных белков - рогов, крови, костей коров, свиней и других остатков туш животных [20].
Для изготовления пористого бетона в качестве активатора клея используют гашеную известь и красный молотый кислый печной шлак. В качестве кремниевых компонентов используются кварцевый песок и дисперсная зола АЭС, а также техногенные отходы различных переработок руд, в том числе алюминия -нефелиновый шлам [12, 32, 33]. Для смешивания всех материалов используется обычная водопроводная вода.
1. Легкий газобетон отличается от обычного бетона некоторыми добавками и свойствами. Легкий газобетон не содержит крупных заполнителей и обладает многими полезными свойствами по сравнению с обычным бетоном, такими как низкая плотность при более высокой прочности, улучшенная тепло и звукоизоляция, а также уменьшение осадки и передачи нагрузки на здание.
2. Автоклавный газобетон отличается от пенобетона по содержанию вовлекающего агента. Воздушные пустоты в пенобетоне образуются с помощью пенообразователя путем добавления алюминиевого порошка и других материалов, также реакции между ними, что представляет собой химическую обработку. Воздушные пустоты равномерно распределены в пористом легком бетоне. Прочность пенобетона на сжатие может достигать конструкционной прочности по сравнению с автоклавным газобетоном. Легкий пористый бетон считается эффективным для экономии сырья и потребления побочных продуктов - отходов различных производств.
3. Огнестойкость газобетона не уступает или превосходит огнестойкость обычного плотного бетона, поэтому его применение не сопряжено с риском распространения пожара. Важной причиной такого поведения является то, что материал относительно однороден, в отличие от обычного бетона, где присутствие крупного заполнителя, что приводит к разным скоростям расширения, растрескивания и разрушению. Хорошая огнестойкость пенобетона заключается в том, что его структура с закрытыми порами приносит большое превосходства, поскольку передача тепла излучением является обратной функцией количества границ раздела воздух-твердое тело, через которые он проходит. Это вместе с их низкой теплопроводностью и диффузией свидетельствует о том, что газобетон обладает лучшими огнестойкими свойствами.
Список литературы /References
1. Ali J. Hamad. Materials, Production, Properties and Application of Aerated Lightweight Concrete: Review. International Journal of Materials Science and Engineering.Vol. 2, No.2 DOI:10.12720, ijmse.2.2. 2014, рр. 152157.
2. Y.H.M. Amran et al. Properties and applications of foamed concrete a review. Construction and Building Materials. Construction and Building Materials. Elsevier.Vol. 101, 1, 2015, pp. 990-1005.
3. S. Nandi, A. Chatterjee, P. Samanta, T. Hansda. Cellular Concrete & its facets of application in Civil Engineering. International Journal of Engineering Research. 2016. Vol.5, pp. 37-43.
4. C.S. Mendieta, J.J. Galán, I. Martinez-Lage. Physical and Hydraulic Properties of Porous Concrete Sustainability.2021, 13 (19), 10562; https. doi.org.10.3390, su131910562.
5. M.A.O. Mydin, Y.C. Wang. Structural performance of lightweight steel-foamed concrete-steel composite walling system under compression. Thin-walled Struct., 49 (1), 2011, pp. 66-76.
6. N. Beningfield, R. Gaimster, P. Griffin. Investigation into the air void characteristics of foamed concrete, in: Global Construction: Ultimate Concrete Opportunities: Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 5-7 July 2005. Cement combinations for durable concrete, vol. 6 (1), London, 2005, p. 51.
7. O. Richard, M. Ramli, and K. M. Al Shareem. "Experimental production of sustainable lightweight foamed concrete," British Journal of Applied Science & Technology, vol. 3, no. 4, 2013. pp. 994-1005,
8. Y. Zhang, H. Li, A. Abdelhady et al. Effects of specimen shape and size on the permeability and mechanical properties of porous concrete a review. Construction and Building Materials. Construction and Building Materials. Elsevier.2011. Vol.266, Part B, 121074 https: doi.org.10.1016.j.conbuildmat.2020.121074.
9. Alexander C., Reno J. From Biopower to Energopolitics in England's Modern Waste Technology. Anthropological Quarterly. vol 87(2), pp. 335-358, 2014.
10. K.A. Mohd Sari, A.R. Mohammed Sani. Applications of Foamed Lightweight Concrete. MATEC Web of Conferences 97, 01097. 2017. A review on pavement porous concrete using recycled waste materials. 2018. DOI: 10.1051, matecconf.20179701097.
11. Khan M.Y. et al. Effect of ingredients ratios on the strength of foamed concrete: an experimental study. Innovative Infrastructure Solutions. Т. 8. №. 1. 2023. С. 70.
12.M. Yilmaz, H.B. Gokhanoglu, G. alparslan, M.Y. Ozgan. Review of Foam Concrete. Sürdürülebilir Mühendislik Uygulamalari ve Teknolojik Geli§meler Dergisi 2021, 4 (1): 16-21. DOI: 10.51764 -smutgd.914929.
13. K. Ramamurthy, E.K.K. Nambiar, and G.I. S. Ranjani "A Classification of studies on properties of foam concrete," Cement And Concrete Composites, vol. 31, no. 6, pp. 388-396, 2009.
14.M.R. Jones, A.Mc. Carthy. Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural material. Mag. Concr. Res. 2005, vol 57, pp 21-31.
15. N. Uddin, F. Fouad, U.K. Vaidya, A. Khotpal, J.C. Serrano-Perez Structural characterization of hybrid fiber reinforced polymer (FRP)-autoclave aerated concrete (AAC) panels, J. Reinf. Plast. Compos. vol 25 (9), 2006, pp 981-999.
16. O. Gencel, T. Bilir, Z. Bademler and T. Ozbakkaloglu. Review A Detailed Review on Foam Concrete Composites: Ingredients, Properties, and Microstructure. Appl. Sci. 2022, 12, p.5752. https://doi.org.10.3390, app. 12115752.
17. Серова Р.Ф., Касумов А.Ш., Величко Е.Г. Проблемы производства и применения ячеистого бетона. Фундаментальные исследования. 2016. № 7 (часть 2). С. 267-27.
18.Xiong Y., Hu Z., Liu C., Zhang C., Zhang Y. Unveiling the role of Portland cement and fly ash in pore formation and its influence on properties of hybrid alkali-activated foamed concrete. Construction and Building Materials. Elsevier 2024.Vol. 411, 134336 https:doi.org.10.1016, j.conbuildmat.2023.134336.
19. F. Zülkarnain vaM. Ramli "Ümumi ya§ayi§ binasi ügün silisium dumani ila kópüktanmi§ beton qari§igi dizayninin icrasi," European Journal of Technology and Advanced Engineering Research, 2011. vol. 1 ( 2), p. 18-28.
20. E.P. Kearsley, P.J. Wainwright The effect of high fly ash content on the compressive strength of foamed concrete, Cement and Concrete Research 31 (1), 2001, рр. 105-112.
21. Г.А. Зимакова, П. В. Шарко. Ячеистые бетоны. Методические указания по лабораторным работам. Тюмень. 2017. 30 c.
22. C. Bing, W. Zhen, L. Ning Experimental research on properties of high-strength foamed concrete, J. Mater. Civ. Eng. Vol 24 (1) (2011) pp 113-118.
23. E.K. Nambiar, K. Ramamurthy Influence of filler type on the properties of foam concrete, Cem. Concr. Compos vol 28 (5), 2006, рр. 475-480.
24.M.R. Jones, A. McCarthy Heat of hydration in foamed concrete: effect of mix constituents and plastic density, Cement and Concrete Research 36 (6), 2006, рр. 1032-1041.
25. D. Aldridge Introduction to foamed concrete: what, why, how?, in: R.K. Dhir, M.D. Newlands, A. McCarthy (Eds.), Use of Foamed Concrete in Construction,Thomas Telford, London, 2005, pp. 1-14.
26. O.Gencel, O. Y. Bayraktar, G. Kaplan et all. Characteristics of hemp fibre reinforced foam concretes with fly ash and Taguchi optimization. Constr. Build. Mater. 2021, 294, 123607.doi.org/10.1016. j.conbuildmat.2021.123607.
27. T.H. Wee, D.S. Babu, T. Tamilselvan, H.S. Lim. Air-void system of foamed concrete and its effect on mechanical properties. ACI materials journal, 2006. (1) 103.
28. Develop an efficient method for improving hydrophysical properties of aerated concrete using industrial waste. Procedia Engineering 153, 2016, pp. 761 - 765.
29. Gokge H.S., Hatungimana D., Ramyar K. Effect of fly ash and silica fume on hardened properties of foam concrete. Construction and building materials. 2019. T. 194. C. 1-11.
30. C. Bing, W. Zhen, L. Ning Experimental research on properties of high strength foamed concrete, J. Mater. Civ. Eng. 24 (1), 2011, pp. 113-118.
31. M. Shariati, A. Toghroli, S.F. Sajedi et all. A review on pavement porous concrete using recycled waste materials. Smart Structures and Systems 2018. 22(4):433-440 D0I:10.1298, sss.2018.22.4.433.
32. B.A. Otakulov, D.T. Sobirova, M.T. Yokubova. Raw Materials and Optimal Compositions for New Generation Cellular Concrete. SCIENTIFIC PROGRESS. 2021. 2(8), pp. 473-477.
33. Hassan F.M., Saleh M.M. and Salman J.M. A Study of Physicochemical Parameters and Nine Heavy Metals in the Euphrates River. Iraq. E-Journal of Chemistry, 2010.7, pp. 685-692.http.dx.doi.org.10.1155/2010/906837.
