Производство, свойства и применение ячеистого бетона автоклавного твердения

Сажнев Н. Шелег Н. Производство, свойства и применение ячеистого бетона автоклавного твердения // Строительные материалы. 2004 . №3. C. 2-6

Современный метод изготовления ячеистого бетона автоклавного твердения был предложен в тридцатых годах прошлого века и в принципе практически не изменился, хотя за все прошедшие годы свойства материала неоднократно улучшались и расширялись области его применения. Для изготовления ячеистого бетона применяются широко распространенные местные материалы: песок, известь, цемент и вода. В смесь в небольшом количестве добавляется также алюминиевый порошок, способствующий образованию в массе воздушных ячеек и делающий материал пористым. После этого масса помещается в автоклав, где осуществляется в паровой среде ее твердение. Энергосберегающая технология не дает никаких отходов, загрязняющих воздух, воду и почву.

В конце XX века во всем мире годовой объем производства ячеисто-бетонных изделий находился в пределах 43?45 млн м3. Основной объем производства приходится на заводы, работающие по технологиям фирм ?Хебель?, ?Итонг?, ?Верхан?, ?Маза-Хенке? (Германия), ?Сипорекс? (Швеция, Финляндия), ?Дюрокс-Калсилокс? (Нидерланды), ?Селкон? (Дания, Великобритания), ?Униполь? (Польша) и др. [1]. В 45 странах мира (без учета стран СНГ) работает более 200 заводов ячеистого бетона. Наиболее распространенные предприятия вышеперечисленных фирм имеют годовую производительность 160-200 тыс. м3.

В ряде стран (СНГ, Польша, Китай, Чехия, Словакия, Дания, Япония, Эстония и др.) имеются свои собственные разработки и технологии, в которых наряду с лицензионными действуют предприятия на основе собственной отечественной технологии. Эти технологии отличаются, как правило, способами подготовки (помолом), формования ячеисто-бетонной смеси и разрезки массивов на изделия заданных размеров.

В армированных изделиях фирмы ?Хебель? отклонения от заданного размера по длине составляют ?4 мм, высоте и толщине ? ?3 мм, а в неармированных ? ?1?1,5мм по всем направлениям.

В армированных изделиях фирмы ?Дюрокс-Калсилокс? отклонения от заданных размеров по длине, высоте, толщине соответственно ?4 мм, ?3 мм, ?2 мм, неармированных ? ?2 мм, ?2 мм, ?1 мм.

Точные по размерам изделия выпускают фирмы ?Итонг?, ?Верхан? и ?Маза-Хенке?, а также ?Аэрок? и ?Силбет? (последнее поколение резательных машин) ? отклонения по всем направлениям соответственно ?1 ? 1,5 мм.

В технологии фирмы ?Итонг? и ?Маза-Хенке? перед разрезкой на изделия заданных размеров ячеисто-бетонный массив-сырец кантуется на 90? с формой на ее борт, а в фирме ?Верхан? - на специально подставляемый под боковую поверхность ?чужой? борт-поддон, на котором распалубленный массив подается на резательные машины (вертикальная продольная, горизонтальная продольная и вертикальная поперечная со съемом горбушки и нарезанием ?карманов?) и затем в автоклав. После автоклавной обработки массив подается на разборку, упаковку и далее на склад готовой продукции.

В технологии фирм ?Хебель?, ?Дюрокс-Калсилокс?, ?Аэрок? и ?Силбет? массив распалубливается и переносится специальными захватами с плоскости поддона формы на стол резательной машины, разрезается, на решетках подается в автоклав, затем на упаковку и склад готовой продукции. В технологии фирмы ?Сипорекс? распалубленный массив (борта формы поднимаются вверх) на своем щелевом поддоне разрезается, после чего борта формы опускаются на прежнее место, форма с массивом подается в автоклав и далее на упаковку и склад готовой продукции.

Гидротермальная обработка производится в тупиковых и проходных автоклавах диаметром 2,4?2,8 м, длиной до 40 м, придавлений не ниже 1,2 МПа. Изделия, как правило, выпускаются плотностью 400?700 кг/м3 и прочностью бетона при сжатии соответственно не менее 2?5 МПа. При поставке потребителю влажность ячеисто-бетонных изделий составляет около 30?35% по весу, что выше, чем у изделий, выпускаемых предприятиями Республики Беларусь, у которых она составляет не более 25%.

Следует отметить, что во время эксплуатации зданий, влажность ячеистого бетона в ограждающих конструкциях понижается до равновесной эксплуатационной и составляет примерно 2?3% по объему при средней плотности бетона 600 кг/м3.

Армированные изделия выпускаются длиной до 7,2 м, шириной до 0,75 м и толщиной до 0,375 м. При этом шаг изделий по длине составляет 5?25 мм и толщине 25?100 мм, а ширина изделий обычно бывает равной высоте формуемого массива. Длина армированных изделий зависит от их толщины и расчетных нагрузок.

На некоторых заводах доля армированных изделий составляет 80?85% и практически выпускается полный комплект изделий на дом из ячеистого бетона, особенно для малоэтажного строительства. Продукция выпускается по резательной технологии с высокой точностью геометрических размеров изделий, которые широко используются в жилищном, промышленном и сельскохозяйственном строительстве.

Всеми фирмами накоплен опыт по применению ячеисто-бетонных изделий в строительстве. Кладка стен и перегородок из неармированных изделий осуществляется на клею или на нормальном или ?легком? растворе. Армированные панели монтируются на элементы железобетонных или металлических каркасов, а кровельные плиты покрытия и плиты межэтажного перекрытия укладывают на железобетонные, металлические балки, фермы или на стены зданий через монолитные железобетонные пояса.

Наружные и внутренние стены выполняются из армированных панелей или из неармированных блоков. Блоки из ячеистого бетона являются, бесспорно, самым простым решением кладки стен зданий: жилых домов, сельскохозяйственных строений и небольших построек промышленного и складского назначения. Использование блоков не накладывает никаких ограничений на планировку зданий, его форму или высоту: из блоков может быть построено здание практически любого типа.

В мировой практике ячеистый бетон также широко используется при реконструкции старых зданий, особенно когда требуется дополнительное утепление ограждающих конструкций и увеличение этажности зданий с сохранением существующих фундаментов. В индивидуальных домах типа коттедж ячеистый бетон используется от подвала до крыши, в том числе в ванных и туалетных помещениях. Огромные возможности использования ячеистого бетона низкой плотностью (150?200 кг/м3) открываются при тепловой модернизации старых зданий.

Кроме применения ячеистого бетона в строительстве накоплен большой опыт применения его в различных областях. Дробленый ячеистый бетон совместно с бесподстилочным навозом является эффективным удобрением, особенно для дерново-подзолистых почв. Дробленый бетон может эффективно использоваться в качестве подстилки и карбонатной добавки в корм на птицефабриках. С успехом применяется ячеистый бетон при производстве сухих растворов в качестве легкого заполнителя, при засыпке (утеплении) чердачных помещений, а также в качестве адсорбента для различных агрессивных сред.

В 1991 г. в странах СНГ было выпущено около 5,7 млн м3 ячеисто-бетонных изделий, из них 1,37 млн армированных стеновых панелей, плит покрытий и перекрытий [1]. Наибольшую долю в общем выпуске составили мелкие ячеисто-бетонные блоки ? 3,2 млн м3 в год.

В Республике Беларусь в 1991 г. было выпущено 1,7 млн м3 ячеисто-бетонных изделий, в том числе 0,34 млн м3 армированных панелей для жилых, промышленных и общественных зданий. [2]. Однако за последние десять лет объем производства ячеисто-бетонных изделий в странах СНГ, за исключением Республики Беларусь, сократился примерно на 50%. В 2002 г. предприятия Республики Беларусь выпустили 1,5 млн м3 ячеисто-бетонных изделий (блоков и армированных изделий).

На передовых предприятиях по производству ячеисто-бетонных изделий, например в Республике Беларусь, физико-механические показатели бетона не уступают зарубежным, а морозостойкость превосходит зарубежные аналоги. Однако на ряде предприятий внешний вид изделий (точность геометрических размеров) порой все еще уступает зарубежным аналогам.

В странах СНГ, как правило, используется ударная технология производства ячеистого бетона, в которой применяются смеси с низким количеством воды затворения.

В институте НИПИсиликатобетон в 1978-1991 гг. совместно с Рижским политехническим институтом был выполнен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по исследованию и созданию ударной технологии формования ячеисто-бетонных изделий и разработке различных устройств для ее реализации [3]. Это принципиально новое направление технологии производства изделий из ячеистого бетона базируется на использовании в качестве динамических воздействий для разжижения смеси удара более эффективного, чем вибрация, на колебаниях ячеисто-бетонной смеси на основной собственной частоте и на эффекте остаточной тиксотропии, что обеспечивает получение высококачественной микро- и макроструктуры бетона.

Анализ производств ячеисто-бетонных изделий по традиционной, так называемой литьевой технологии, особенно зарубежных фирм, достигших сравнительно высоких технико-экономических показателей производства ячеистого бетона, свидетельствует, что из-за большого количества воды затворения используются смеси с повышенным расходом вяжущих материалов (цемент и известь), высокой тонкостью помола песка (3000-3500 см2/г) и цемента (3500-4000 см2/г). При этом требуются повышенные затраты на автоклавную обработку (давление 1,2?1,4 МПа и продолжительность 14?16 ч) и очень высокое качество всех исходных материалов. Производство ячеисто-бетонных изделий характеризуется большой продолжительностью выдержки сырца до резки (3?6 ч) и автоклавной обработки, а также высокой влажностью изделий после автоклавной обработки, которая зависит в первую очередь от количества воды затворения.

Рассматривая межпоровый материал ячеистого бетона (микроструктура) с позиции основных законов бетоноведения, приходим к выводу об отрицательном влиянии на его свойства избыточного количества воды затворения. Формирование макроструктуры (ячеистой структуры) бетона определяется двумя обобщающими (для литьевой и ударной технологий) характеристиками: объемом образующегося газа и реологическими свойствами раствора, кинетика изменения которых во времени зависит от исходного состояния смеси (щелочность, вязкость, температура, газообразующая способность раствора) и от интенсивности динамических воздействий в процессе формования (вспучивания).

При литьевой технологии процесс вспучивания смеси определяется только качеством и количеством исходных компонентов последней, и поэтому подбор исходного ее состояния является пассивным управлением процесса формования. Использование динамических воздействий позволяет регулировать этот процесс с учетом изменения реологических свойств смеси.

Известно, что если во время формования вязкость ячеисто-бетонной смеси ниже оптимальной, то нарушается баланс газовой фазы, то есть газообразователь полностью не используется и происходит недовспучивание или осадка смеси. Если вязкость выше оптимальной, процесс вспучивания изделий замедляется и ячеисто-бетонный массив не достигает заданной высоты. При этом резко увеличивается давление в ячейках, вызывающее в конечном итоге появление трещин в межпоровом материале и расслоение в бетоне. Отклонения вязкости смеси от оптимальной в обоих случаях приводят к разрушению микроструктуры и низкому качеству бетона.

Для нормального проектирования процесса вспучивания смеси необходимо обеспечить, как уже отмечалось выше, оптимальную вязкость, в данном случае понизить ее, например за счет тиксотропного разжижения смеси. Явление тиксотропии заключается в разрушении слабых коагуляционных структур с помощью динамических воздействий и в переводе защемленной (иммобилизованной) и частично адсорбированной воды в свободное состояние.

Кроме того, динамические воздействия в начале процесса гидратации разрушают коагуляционную структуру, разжижают смесь, а позднее обеспечивают уплотнение межпорового вещества, содействуют преодолению энергетического барьера между частицами и способствуют образованию кристаллизационной структуры (микроструктуры). Таким образом, задача состоит в выборе способа динамических воздействий на смесь ? интенсивности, частоты и продолжительности.

Исследование причин разрушения пористой структуры при формовании, теоретическая оценка скорости движения газовой поры при динамическом воздействии на смесь во время ее вспучивания, а также оценка влияния частоты, амплитуды и продолжительности динамических воздействий на механизм вспучивания смеси показà