В статье отмечается, что значительное водопоглощение ячеистого бетона обусловливается его большой пористостью и зависит от плотности. Со снижением плотности водопоглощение увеличивается, оказывая существенное влияние на ряд технических свойств ячеистого бетона. Для сохранения теплозащитных свойств, обеспечения прочности и долговечности требуются специальные защитные мероприятия, такие как объемная гидрофобизация ячеистого бетона путем введения в состав добавки нефтебитуминозной породы, что понижает количество химически связанной воды в новообразованиях, уменьшая растворимость гидросиликатов кальция, повышая стойкость изделий в агрессивных средах.
УДК 666.965.2:691.33
Б.М. АУБАКИРОВА, канд. техн. наук, доцент, Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева, Институт архитектуры и строительства им. Т. Басенова, кафедра «Строительство», Т.К. АЙТЖАНОВА, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Транспортное строительство», Казахская академия транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева, г. Алматы, Республика Казахстан
Ключевые слова: нефтебитуминозные породы, ячеистый бетон, силикатная смесь, минеральные продукты переработки нефтебитуминозных пород, кремнеземистые компоненты
Keywords: in rocks containing oil and bitumen breed, aerated concrete, silicate mixture, mineral products of processed rocks containing oil and bitumen, siliceous components
Плотность и пористость ячеистого бетона являются одними из важнейших характеристик, определяющих его многие физико-механические свойства. Изделия с ячеистой структурой в ряде случаев находят ограниченное применение. Так, одной из причин является пористая структура ячеистого бетона, которая приводит к повышенному водопоглощению – до 40-50% по объему, что, в свою очередь, увеличивает коэффициент теплопроводности, а это определяет пониженную теплоизоляционную способность. Для сохранения теплозащитных качеств ячеистобетонных изделий требуются специальные защитные мероприятия, например, объемная гидрофобизация путем введения в состав смеси влагоотталкивающих добавок. Известно, что одной из таких субстанций считается битум или другие подобные ему материалы, в частности нефтебитуминозные породы (НБП), являющиеся продуктом субаэрального изменения излившейся на поверхность малосмолистой метановой нефти. В состав естественной битуминозной породы входит от 10 до 30% битума. Все частицы минеральных составляющих НБП по трещинам и пустотам покрываются битумами в виде пленки различной толщины. Последняя зависит от количества присутствующего битума в породах – чем его больше, тем больше толщина пленки.
Влажность ячеистых бетонов оказывает большое влияние на их прочность, теплопроводность, теплоемкость и другие свойства. Величина равновесного состояния влажности ячеистых бетонов является одной из важнейших характеристик материала. Свободная вода в составе ячеистого бетона снижает прочность, морозостойкость, биостойкость.
Влажность после автоклавной обработки колеблется в значительных пределах – от 15% до 40%.
Ячеистый бетон является материалом с очень низкой теплопроводностью и при небольшой толщине стен обеспечивает внутри помещений заданный температурный режим. На теплопроводность ячеистого бетона влияют его плотность и влажность, с увеличением которых теплопроводность увеличивается. С повышением влагосодержания и уменьшением температуры материала ниже нуля увеличивается коэффициент теплопроводности. Большое влияние на теплопроводность пористого материала оказывают форма пор, их размер и ориентация. Теплопроводность ячеистых бетонов зависит и от температурного перепада, с которым материал вступает в тепло- и массообмен в каждом интервале времени, а также от скорости возрастания или снижения в этом интервале температуры изделия. При определении необходимой толщины изделий принимают значение теплопроводности, учитывающее эксплуатационную влажность. Для увеличения термического сопротивления ячеистого бетона следует обеспечить в нем равномерную макроструктуру и отсутствие каверн. Ячеистый бетон имеет малую теплопроводность и относительно высокую прочность, являясь наиболее эффективным бетоном для различных ограждающих конструкций.
Изделия из ячеистого бетона обладают высокими акустическими свойствами, звукопоглощающей и звукоизолирующей способностью. В жилых и общественных зданиях необходимая звукоизоляция ограждающих конструкций составляет 40-50 децибел. Стены из ячеистого бетона обладают повышенными звукоизолирующими свойствами, возрастающими с увеличением плотности материала. При плотности 400-500 кг/м3 и толщине слоя ячеистого бетона 8 см звукоизоляция стены составляет, соответственно, 32 и 34 децибел, что соответствует требованиям СНиП. Коэффициент звукопоглощения зависит от характера поверхности, от пористости и от толщины стены и составляет для материала плотностью 300-350 кг/м3, соответственно, 0,35-0,80 при частоте звука 125-2000 Гц.
Известно, что для изделий с ячеистой структурой плотностью 500 кг/м3 каждое увеличение влажности на 5% повышает их коэффициент теплопроводности на 40-50%. Для сохранения теплозащитных качеств ячеистобетонных изделий требуются специальные защитные мероприятия. Таковым является, как уже отмечалось, объемная гидрофобизация путем введения в состав смеси влагоотталкивающих добавок. Гидрофобизация позволяет снизить водопоглощение.
В дальнейшем работа проводилась по использованию песчаных отходов переработки НБП в немолотом виде. Установлены следующие оптимальные параметры смеси: состав вяжущего – 50% извести и 50% цемента, соотношение немолотого песка переработки НБП и вяжущего 1,75:1, водотвердое отношение 0,46, расход алюминиевой пудры 0,062% от массы сухих компонентов. Свойства ячеистых бетонных образцов на основе немолотого отхода переработки НБП, твердевших в различных температурных условиях, приведены в табл. 1.
Образцы с ячеистой структурой на основе немолотого песчаного отхода переработки НБП имеют более высокую плотность, чем при изготовлении ячеистого материала с применением молотого песка НБП. При плотности 800-1000 кг/м3 прочность при сжатии пропаренного бетона составила 4,2-7,7 МПа, а автоклавированного – 6,7-15 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ 25482-86 к ячеистому бетону марок м35-М150.
Таблица 1. Свойства образцов с ячеистой структурой на основе немолотого отхода переработки НБП
| Условия твердения | Плотность, кг/м3 | Влажность, % | Предел прочности при сжатии, МПа |
| Пропаривание при 70°С по режиму 2+8+2 ч |
805 910 1005 |
15,0 13,4 13,0 |
4,2 6,4 7,7 |
| Автоклавирование при 175°С по режиму 2,5+8+2,5 ч |
796 889 1002 |
13,1 12,7 12,0 |
6,7 10,6 15,0 |
Ячеистый бетон на основе немолотого отхода переработки НБП характеризуется пониженной влажностью после тепловлажностной обработки. Газомасса хорошо вспучивается, быстро схватывается и, соответственно, дает меньшую осадку. Равномерная мелкопористая структура ячеистого бетона положительно влияет на эксплуатационные свойства материала. Исключение помола кремнеземистого компонента повышает экономическую эффективность производства ячеистобетонного материала.
Значительное водопоглощение ячеистого бетона обусловливается его большой пористостью и зависит от плотности. Со снижением плотности, при прочих равных условиях, водопоглощение ячеистого бетона увеличивается, оказывая существенное влияние на ряд технических свойств материала. Для сохранения теплозащитных свойств ячеистобетонных изделий, обеспечения их прочности и долговечности можно использовать гидрофобные паронепроницаемые покрытия, в частности нефтеполимерные, кумароново-каучуковые, цементно-перхлорвиниловые, цементно-латексные и другие покрытия, латексную краску, лаки этиноль и кукерсоль. Ячеистые бетоны, защищенные такими покрытиями, хорошо выдерживают испытания на морозостойкость.
Введение полимерных добавок в ячеистобетонную смесь в значительной степени позволяет улучшить свойства бетона. Эти добавки повышают прочность, снижают водопоглощение изделий до 20% и более. Например, при добавке природного твердого нефтепродукта равновесная влажность ячеистого бетона после 28-суточного пребывания в воздушной среде с влажностью 98% уменьшается более чем в 2 раза.
В нашей работе для объемной гидрофобизации ячеистого бетона применялись НБП. В качестве основного кремнеземистого компонента использовался молотый песок переработки НБП, отношение которого к вяжущему составляло 1,5:1, вяжущее содержало 50% извести и 50% цемента, расход алюминиевой пудры – 0,058% от массы сухих компонентов. С учетом этих данных было выработано оптимальное количество добавок НБП, которые размалывалась сухим способом совместно с известью или песком в соотношении 1:1 до удельной поверхности 250-300 кг/м2 и вводились в смесь в пересчете на битум в количестве от 5 до 15% от массы твердых компонентов.
20%-ная добавка НБП позволяет снизить влажность ячеистого бетона с объемной массой 700 и 500 кг/м3 после пропаривания, соответственно, до 5,5 и 7,0%, а после автоклавирования – до 3,3 и 5,8% (табл. 2). Прочностные показатели при добавке НБП повышаются. В зависимости от плотности образцов оптимальная добавка НБП по прочности различна. Так, при пропаривании максимальная прочность образцов с плотностью 500 кг/м3 (3,9 МПа) достигается при добавке НБП 15% в пересчете на битум, а с плотностью 700 кг/м3 (4,6 МПа) – 10%.
Таблица 2. Влияние добавки НБП на свойства материалов с ячеистой структурой
| Условия твердения | Количество добавки НБП, % от массы сухих компонентов | Влажность после тепловлажностной обработки, %, при плотности | Предел прочности при сжатии, МПа, при плотности | ||
| 500 кг/м3 | 700 кг/м3 | 500 кг/м3 | 700 кг/м3 | ||
| Пропаривание при 70°С | — | 12,1 | 9,2 | 3,5 | 3,8 |
| 5 | 10,8 | 8,4 | 3,6 | 4,2 | |
| 10 | 10,2 | 7,0 | 3,8 | 4,6 | |
| 15 | 8,6 | 5,8 | 3,9 | 4,6 | |
| 20 | 7,0 | 5,5 | 2,6 | 4,4 | |
| Автоклавирование при 175°С | — | 7,9 | 6,8 | 3,6 | 4,5 |
| 5 | 7,4 | 6,2 | 3,8 | 4,8 | |
| 10 | 7,0 | 5,4 | 4,0 | 5,6 | |
| 15 | 6,4 | 3,6 | 4,2 | 5,2 | |
| 20 | 5,8 | 3,3 | 3,2 | 5,0 | |
В условиях автоклавирования максимальная прочность образцов с плотностью 500 кг/м3 (4,2 МПа) также достигается при добавке НБП 15%, а с плотностью 700 кг/м3 (5,6 МПа) – 10%.
Было изучено влияние добавки НБП на водопотребность ячеистобетонной смеси и оптимальную температуру тепловлажностной обработки (табл. 3).
Таблица 3. Влияние добавки НБП на технологические параметры получения ячеистого бетона (добавка НБП 10% в пересчете на битум)
| В/Т | Автоклавная обработка | Влажность после тепловлажностной обработки, % | Плотность, кг/м3 | Предел прочности при сжатии, МПа | |
| температура, °С | давление, МПа | ||||
| 0,40 | 175 | — | 5,0 | 700 | 5,2 |
| 0,43 | 175 | — | 5,2 | 715 | 5,4 |
| 0,45 | 175 | — | 5,4 | 704 | 5,5 |
| 0,47 | 175 | — | 6,0 | 698 | 5,6 |
| 0,50 | 175 | — | 6,2 | 680 | 5,2 |
| 0,47 | — | 0,2 | 6,0 | 718 | 4,6 |
| 0,45 | — | 0,4 | 5,4 | 709 | 5,4 |
| 0,45 | — | 0,8 | 5,2 | 708 | 6,2 |
Оптимальное водотвердое отношение ячеистобетонной смеси при добавлении 10% НБП уменьшается с 0,48 до 0,45, то есть водопотребность ячеистобетонной смеси снижается на ~6%. При этом достигается плотность 704 кг/м3, предел прочности при сжатии – 5,5 МПа, влажность образцов снижается до 5,4%. Снижение влажности оказывает положительное влияние на усадочные и деформационные свойства изделий. С увеличением водотвердого отношения влажность образцов увеличивается, однако при низких В/Т (0,4-0,43) вспучиваемость газомассы слабая.
В результате снижения плотности на 20-30% взаимодействие компонентов фазообразования и твердение материала происходит на 4-6 ч быстрее.
С увеличением давления пара в автоклаве и температуры уменьшается влажность материала и повышается его прочность при сжатии (табл. 4). Добавка НБП, содержащей битум, оказывает модифицирующее влияние на кристаллообразование гидросиликатов кальция и поровую структуру ячеистого бетона. Структура ячеистого бетона с добавкой НБП становится мелкокристаллической и мелкопористой, что оказывает положительное влияние на качество материала.
Таблица 4. Влияние технологических параметров получения ячеистого бетона (с добавкой НБП 10% в пересчете на битум) на физико-механические свойства
| Виды и количество добавки, % в пересчете на битум | Технологические параметры и их величины | Влажность после тепловлажностной обработки, % | Плотность, кг/м3 | Предел прочности при сжатии, МПа |
| НБП-10 | Водотвердое отношение – 0,4 | 5,0 | 700 | 5,2 |
| НБП-10 | Водотвердое отношение – 0,43 | 5,2 | 715 | 5,4 |
| НБП-10 | Водотвердое отношение – 0,45 | 5,4 | 704 | 5,5 |
| НБП-10 | Водотвердое отношение – 0,47 | 6,0 | 698 | 5,6 |
| НБП-10 | Водотвердое отношение – 0,5 | 6,2 | 680 | 5,2 |
| НБП-10 | Давление пара в автоклаве, 2 МПа | 6,0 | 718 | 4,6 |
| НБП-10 | -«- 4 МПа | 5,4 | 709 | 5,4 |
| НБП-10 | -«- 8 МПа | 5,2 | 708 | 6,2 |
Следует отметить, что добавка нефтебитуминозной породы в силикатную смесь понижает количество химически связанной воды в новообразованиях. При этом уменьшается растворимость гидросиликатов кальция, повышается стойкость изделий в агрессивных средах.
Добавка 8-10% НБП совместно с 5% извести повышает водостойкость безобжигового материала плотностью 1200-1600 кг/м3 из лессовидного суглинка. Коэффициент его размягчения составляет 0,60-0,78. При этом образцы из этого материала за 24 ч водонасыщения теряют до 20-30% прочности, а при дальнейшем пребывании в воде снижение прочности прекращается.
Библиографический список
1. Книгина Г.И., Тацки Л.Н., Кучерова Э.А. Современные физико-химические методы исследования строительных материалов. – Новосибирск: Издательство НИСИ им. В.В. Куйбышева, 1981, – 81 с.
2. ГОСТ 25485-82, ГОСТ 25482-86 и СНиП 2.03.01-84. Автоклавный и неавтоклавный ячеистый бетон (методы испытаний).
3. ГОСТ 7076-87. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности.
4. Инструкция по технологии изготовления изделий из автоклавного ячеистого бетона СН-277-64, – М.: Стройиздат, 1964, – 60 с.
5. Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. – М.: Стройиздат, 1973, – 207 с.
6. Силаенков Е.С., Тихомиров Г.В. Влияние состава цемента на деформацию ячеистых бетонов в эксплуатационных условиях / Сб. УралпромстройНИИпроект «Повышение долговечности панелей из ячеистых бетонов». – М.: Стройиздат, 1965, с. 64-74.
7. Ахметов А.Р., Бисенов К.А. и др. Современное состояние и перспектива производства ячеистого бетона в Казахстане. – Алматы: Гылым, 1998, – 84 с.
