Легкий бетон
Введение
Легкий бетон на пористых заполнителях применяли еще в глубокой древности. В 75-80 гг. н.э. в Риме был построен гигантский амфитеатр – Колизей, который вмещал 50 тыс. зрителей. Его фундамент выложен из бетона, приготовленного на щебне из плотной вулканической лавы, для возведения стен использован более пористый кирпичный щебень, а для сводов и между стенами – пористый легкий туф. Здание Пантеона, выстроенное в первой четверти II в. н. э., перекрыто куполом диаметром 42,7 м. верхняя часть которого выполнена из легкого бетона на пемзе, что значительно облегчило нагрузку на стены и позволило римским строителям осуществить исключительный по смелости архитектурный замысел. Прошло 18 столетий, прежде чем появились здания с куполом большего размера из железобетона.
В XIX в. в связи с развитием металлургической промышленности и интенсивной добычей каменного угля в России. Западной Европе и США появились искусственные пористые заполнители – доменные и котельные шлаки. Позднее из расплавленных металлургических шлаков стали получать шлаковую пемзу. Грануляция доменного шлака позволила получить мелкий пористый заполнитель. Применение этих пористых заполнителей в смеси с известью и цементом открыло возможность возведения зданий из легких бетонов.
В 20-х годах текущего столетия в нашей стране из легких бетонов на доменных и котельных шлаках начали изготовлять камни для кладки стен, а также возводить стены зданий из монолитного легкого бетона.
По мере индустриализации нашей страны основной областью применения легких бетонов становилось крупноблочное строительство. В 1931-1932 гг. в Санкт - Петербурге построили первые жилые здания из крупных шлакобетонных блоков массой 0,4 – 0,8 т. Вначале их изготовляли неофактуренными. Затем стали выпускать крупные блоки с круглыми пустотами для облегчения их массы и офактуренными.
В первые послевоенные годы из-за ограниченного количества башенных кранов пришлось временно отказаться от крупных изделий и организовать массовое производство легкобетонных камней из доменных и котельных шлаков. Машиностроительная промышленность для формования таких пустотелых камней выпустила станки – полуавтоматы. Дальнейшее развитие строительной индустрии позволило расширить довоенный опыт крупноблочного строительства. Еще с 1956г. оно получило широкое распространение в Москве, Ленинграде, Магнитогорске, Челябинске и других городах.
В 50-е годы в результате
перехода электростанций на
В настоящее время успешно развивается в Москве, Санкт - Петербурге, Челябинске и других городах строительство из объемных цементов. Монтаж 5-этажного дома из таких элементов может быть выполнен за 20-30 дней. Для изготовления объемных элементов особо эффективно использование легких бетонов.
Основное сырье и способы изготовления или добычи материалов
Материалы для изготовления легкого бетона.
Для легкого бетона используют быстротвердеющий
и обычный портландцементы, а также шлакопортландцемент.
Применяют в основном неорганические
пористые заполнители. Для теплоизоляционных
и некоторых видов конструктивно-
Неорганические пористые заполнители отличаются большим разнообразием, их подразделяют на природные и искусственные. Природные пористые заполнители получают путем частичного дробления и рассева или только рассева горных пород (пемзы, вулканического туфа, известняка-ракушечника и др.). Искусственные пористые заполнители являются продуктами термической обработки минерального сырья и разделяются на специально изготовленные и побочные продукты промышленности (топливные шлаки и золы, отвальные металлургические шлаки и др.)
Керамзитовый гравий получают путем обжига гранул, приготовленных из вспучивающихся глин. Это легкий и прочный заполнитель объемной насыпной массой 250-800 кг/м3. В изломе гранула керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболочка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность. В процессе обжига (до 1200 0С) легкоплавкая глина переходит в пиропластическое состояние и вспучивается вследствие выделения внутри каждой гранулы газообразных продуктов. Они образуются при деградации слюдистых минералов и выгорании органических примесей. Вспучиванию способствует выделение в реакции восстановления окиси железа до закиси, протекающей при обжиге в восстановительной среде (содержащей СО) .
Керамзит, обладающий высокой прочностью и легкостью, является основным видом пористого заполнителя.
Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при производстве керамзитового гравия ( правда, в небольших количествах), а также по методу кипящего слоя, обжигом глиняных гранул во взвешенном состоянии. Кроме того, его можно получать дроблением зерен гравия размером более 40 мм и сваров.
Шлаковую пемзу изготовляют путем быстрого охлаждения расплава металлургических (обычно доменных) шлаков, приводящего к вспучиванию. Куски шлаковой пемзы дробят и рассеивают, получая пористый щебень. Производство шлаковой пемзы развивается в районах развитой металлургии. Здесь себестоимость шлаковой пемзы ниже, чем керамзита.
Гранулированный металлургический шлак получают в виде крупного песка с пористыми зернами размером 5-7 мм, иногда до 10 мм.
Вспученный перлит изготавливают путем обжига водосодержащих вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов). При температуре 950-1200 0С вола выделяется и перлит увеличивается в объеме в 10-20 раз. Вспученный перлит применяют для производства легких бетонов и теплоизоляционных изделий.
Вспученный вермикулит – пористый сыпучий материал, полученный путем обжига водосодержащих слюд. Этот заполнитель используют для изготовления теплоизоляционных легких бетонов.
Топливные отходы (топливные шлаки и золы) образуются в качестве побочного продукта при сжигании антрацита, каменного угля, бурого угля и других видов твердого топлива. На основе золы выпускают зольный гравий.
Топливные шлаки- пористые кусковые материалы, получающиеся в топке в результате спекания и вспучивания неорганических (в основном глинистых) примесей, содержащихся в угле. Шлаки подвергаются частичному дроблению, рассеву и обогащению для удаления вредных примесей (несгоревшего угля, золы и др.) На основе зол выпускают зольный и глинозольный гравий.
Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья ( с добавкой 8-10% топлива) на решетках агломерационных машин. Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются. Применяют местное сырье: легкоплавкие глинистые и лёссовые породы, а также отходы промышленности – золы, топливные шлаки и углесодержащие шахтные породы. Аглопориты выпускают в виде пористого песка, щебня и гравия.
Шунгизит изготовляют обжигом шунгитовых сланцевых пород.
Наивыгоднейшее сочетание показателей объемной массы, теплопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетонов достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем, что требует слитного (сближенного) размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В этом случае в бетоне будет содержаться меньше цементного камня, являющегося самой тяжелой частью легкого бетона, а стальная арматура будет защищена от коррозии. Наибольшее насыщение бетона пористым заполнителем возможно только при правильном подборе зернового состава смеси мелкого и крупного пористых заполнителей, а также при использовании технологических факторов (интенсивного уплотнения, пластификаторов и др.)
Пористые заполнители, так же как и плотные, делятся на крупные (пористый гравий или щебень) с размером кусков 5-40 мм и мелкие (пористый песок), состоящие из частиц менее 5 мм. Пористый песок рассеивают на две фракции – до 1,2 мм (мелкий песок) и 1,2 -5 мм (крупный песок). Пористый щебень (гравий) следует разделять на фракции -5-10,10-20, 20-40 мм.
По объемной насыпной массе в сухом состоянии (кг/м3) пористые заполнители разделяют на марки 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 и 1200.
Прочность пористого щебня (гравия) определяют по стандартной методике путем раздавливания зерен в стальном цилиндре.
Зерна большинства пористых заполнителей имеют шероховатую поверхность, поглощают значительное количество воды затворения, поэтому легкобетонные смеси являются, как правило, недостаточно удобоукладываемыми, нуждаются в принудительном смешивании и в интенсивном уплотнении (вибрировании под нагрузкой, вибропрокате, вибротрамбовании и др.), которое более эффективно при применении пластифицирующих добавок.
Основы теории легких бетонов, включающие общий метод определения оптимального количества воды затворения для легкобетонной смеси, разработал Н.А.Попов. Этот метод основан на зависимости прочности легкого бетона и коэффициента выхода от расхода воды.
Теория легких бетонов развита в работах А.И.Ваганова, К.С.Завриева, И.А.Иванова, М.З.Симонова и др.
Свойства легкого бетона.
В зависимости от предела прочности при сжатии легкие бетоны на пористых заполнителях подразделяют на марки: М25, М35, М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400.
Для изготовления высокопрочных легких бетонов (имеющих объемную массу 1600-1800 кг/м3), а пористый песок частично или полностью заменяют плотным.
Наиболее важной наряду с прочностью
характеристикой легкого бетона является
объемная масса. В зависимости от объемной
массы и назначения легкие бетоны делят
на следующие группы: 1) теплоизоляционные
с объемной массой 500кг/м3; 2) конструкционно-
Уменьшить объемную массу легких бетонов можно путем образования в цементном камне мелких замкнутых пор. Для поризации цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью легкого бетона, используют небольшие количества пенообразующих или газообразных веществ. Мелкие и равномерно распределенные поры в цементном камне незначительно понижают прочность, но зато существенно уменьшают объемную массу и теплопроводность легкого бетона.
Теплопроводность легких бетонов зависит в основном от объемной массы и влажности. Увеличение объемной влажности легкого бетона на 1 % повышает теплопроводность на 0,016-0,035 Вт./(м.0С)
В зависимости от теплопроводности легкого бетона толщина наружной стены может изменяться от 20 до 40 см.
Наружные ограждающие конструкции из легких бетонов подвергаются воздействию попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания. Поэтому легкие бетоны, применяемые для наружных стен, покрытий зданий, а также для конструкций мостов, гидротехнических сооружений, должны обладать определенной морозостойкостью.
По морозостойкости легкие бетоны делятся на марки: Мрз15,Мрз25, Мрз 35 Мрз50, Мрз75, Мрз100, Мрз150, Мрз200, Мрз300, Мрз400, Мрз500. Для наружных стен обычно применяют бетоны с морозостойкостью не менее 15-25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно используют в мостостроении, гидротехническом строительстве и даже в судостроении.
Водонепроницаемость плотных конструкционных легких бетонов может быть высокой. Керамзитобетон с расходом цемента 300-350 кг/м3 не пропускает воду даже при давлении 2МПа. Малая водопроницаемость плотных легких бетонов подтверждается долголетней эксплуатацией возведенных из них гидротехнических сооружений (например, в Армении и Грузии), а также испытанием напорных железобетонных труб. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается.
Легкий бетон является эффективным универсальным материалом и его применение в десятой пятилетке возрастает примерно в 2 раза.
Описание готового вида продукции
и его применение
Приготовление легкобетонной смеси сводится к дозированию и смешиванию составляющих материалов. Дозируют составляющие материалы в соответствии с подобранным в лаборатории составом бетона. Точность дозирования материалов должна соответствовать следующим требованиям6 для вяжущих и тонкомолотых гидравлических добавок 1% по массе; для заполнителей 3% по объему или по массе; для воды и водных растворов добавок 1% по массе или по объему. Практика показывает, что для легких бетонов относительно низких марок ( до 100 включительно), приготовляемых непосредственно на строительной площадке ( например при возведении высотных зданий из монолитного бетона или при формировании легкобетонных камней), дозировка материалов может быть менее точной: вяжущих, тонкомолотых добавок 2%; заполнителей 5%.
Объемная масса крупных пористых заполнителей колеблется в значительных пределах. Следовательно, объемы одинаковых по массе порций заполнителя также различаются, в результате чего изменяется заданный состав легкого бетона и ухудшается удобоукладываемость его смеси.
Для точного соблюдения заданного состава легкого бетона и повышения его однородности по объемной массе применяют способ дозирования заполнителей по объему и массе. Требуемое количество крупного пористого заполнителя отмеривают по объему весовыми дозаторами. При этом фиксируют массу отмериваемой порции заполнителя.
Установив таким образом для каждого замеса объемную массу крупного заполнителя, корректируют массу остальных составляющих.
Точность дозирования обеспечивается путем установки в бункере весового дозатора качающейся стенки- шибера,положение которой в момент достижения заданного объема материала фиксируется концевым выключателем. Каждый раз дозируется один и тот же объем материала. Установив, таким образом, для каждого замеса объемную массу крупного заполнителя, корректируют массу остальных составляющих. Для корректировки объема пористого заполнителя изменяют положение концевого выключателя и связанного с ним качающего шибера.
Дозировать крупный заполнитель по объему и массе следует по фракциям.
Серьезные осложнения возникают при использовании влажных заполнителей. Количество содержащейся в них влаги и заполнителей, при этом трудно получить заданную удобоукладываемость бетонной смеси. Ряд свойств легкого бетона, такие, как морозостойкость, прочность, усадка, в значительной степени зависят от того, в сухом или влажном состоянии применяются пористые заполнители для приготовления бетонной смеси.
Как было показано выше, отсос пористыми заполнителями некоторого количества воды из цементного теста улучшает свойства бетона. Заполнитель при этом увеличивается в объеме, что дополнительно повышает плотность его контактной зоны с цементным камнем. Предварительное увлажнение пористого заполнителя ослабляет отсос воды и поэтому нежелательно.
Однако в тех случаях, когда обезвоживание цементного теста, вызванное поглощением воды, приводит к значительному снижению требуемой подвижности бетонной смеси, предварительное увлажнение заполнителя допустимо. Так, в работах И.Н.Ахвердова показано, что для транспортирования легкобетонных смесей бетононасосами по трубопроводам пористые заполнители требуются подвергать предварительному водонасыщению.
Водонасыщенные заполнители могут применяться и при уплотнении смесей вибротрамбованием, например, при изготовлении стеновых легкобетонных камней.
В зарубежной практике заполнители увлажняют не путем погружения их в воду, а лишь обрызгиванием непосредственно перед применением.
Легкобетонную смесь приготовлять в смесителях принудительного действия, обеспечивающих хорошее качество смешивания компонентов без существенного изменения зернового состава заполнителей. При интенсивном перемешивании бетонной смеси зерна пористого заполнителя измельчают тем сильнее, чем меньше их прочность. В приготовленной бетонной смеси количество мелких фракций малопрочных заполнителей может оказаться больше, чем их содержалось в исходном заполнителе.
В качестве смесителей применяют растворосмесители и бетоносмесители разного принципа действия. Характеристика используемых в производстве легкобетонных изделий смесительных механизмов приведена в таблице.
Таблица 1
Техническая характеристика смесителей
принудительного действия
Смесители |
Марка |
Размеры в мм |
Масса в кг | ||
длина |
ширина |
высота | |||
Лопастной растворосмеситель |
С-334 С-209 СМ-290 |
1800 2865 4165 |
730 2165 2305 |
1115 1440 1852 |
325 3000 4920 |
Противоточный бетоносмеситель принудительного действия |
С-945 С-773 С-951 |
1780 2153 2955 |
1625 2150 2653 |
2035 2000 2700 |
1430 1900 4035 |
продолжение таблицы 1
|
Смесители |
Максималь- ная емкость смесительно-го барабана в л. |
Средний выход легкого бетона в уплотненном состоянии из одного замеса в м3 |
Число оборотов смесительного вала, чаши или барабана в мин |
Средняя фактическая производи-тельность в м3/ч |
Установленная мощность двигателя в кг |
Лопастной растворо- смеситель |
80 1000 1500 |
0,04 0,6 0,9 |
31 21,6 20 |
0,5 8 11 |
1,7 14 20 |
Противоточный бетоносмеситель принудительно-го действия |
250 500 1200 |
0,15 0,3 0,7 |
43 30 28 |
2 4 9 |
7,3 14 28 |
Надежной и высокопроизводительной машиной является смеситель СМ-290 емкостью 1500л. Он обеспечивает быстрое и однородное перемешивание массы. Его производительность может достигать 15 м3/ч.
Для приготовления бетонных смесей повышенной жесткости (более 30 сек) весьма эффективно применять виброперемешивание, которое осуществляется путем постановки глубинных вибраторов в чашу смесителя с лопастным механизмом. Такой технологический прием обеспечивает не только хорошую однородность смеси, но и повышенную прочность сцепления цементного камня с заполнителем. При этом ускоряется твердение легких бетонов, особенно в раннем возрасте. Прочность бетона может увеличиваться на 10-15%.
Порядок загрузки материалов в смеситель может быть различным. Если необходимо поддерживать производительность бетоносмесителей, соответствующую паспортной, автоматические дозаторы должны выдавать все материалы одновременно, лишь вода подается постепенно, по мере перемешивания бетонной смеси.
Поскольку изменение зернового состава пористых заполнителей в наибольшей степени происходит при сухом перемешивании, для предотвращения этого рекомендуется одновременно с пористыми заполнителями подавать 2/3 потребного на замес количества воды. Водные растворы добавок для поризации и пластификации смеси добавляют за 2-3 мин до окончания перемешивания.
В зависимости от способа поризации (пеной или газом) при приготовлении беспесчаных поризованных легкобетонных смесей загружать материалы и перемешивать бетонную смесь рекомендуется в такой последовательности:
а)если применяют пену, в смеситель загружают крупный пористый заполнитель, 1/3 требуемого количества воды и смесь перемешивают ½ мин; если же используют газообразователь, то вместе с пористым заполнителем загружают вяжущее, но вода не подается- перемешивается только сухая смесь;
б) на втором этапе (при использовании пены) в работающий смеситель подают вяжущее и остальное количество воды: смесь перемешивается еще 1,5-2 мин; если же применяют газообразователь, в сухую смесь добавляют 2/3 общего количества подогретой воды; время перемешивания предусмотрено 1,5-2 мин;
в) на третьем этапе в смесь добавляют пену, перемешивание продолжается еще 1-2 мин или вводят газообразователь (водоалюминиевую суспензию) и остаток подогретой воды; в этом случае смесь дополнительно перемешивают 2-3 мин.
Легкие бетоны и отделочные декоративные растворы следует готовить в разных смесителях.
Транспортировать легкобетонную смесь следует таким способом, чтобы она по возможности не расслаивалась. От бетоносмесительного цеха к постам формирования бетонную смесь можно подавать различными видами транспорта: самоходными тележками – по эстакаде; бетонораздатчиками, кюбелями- мостовым краном. На многих предприятиях применяют ленточные транспортеры. Их преимущество в непрерывности действия и большой производительности. В то же время такой способ транспортирования для легкобетонных смесей нельзя признать эффективным, поскольку они расслаиваются от толчков и вибрации ленты, а также при перегрузках.
Пластичные легкобетонные смеси можно подать и пневмотранспортом.
Формование изделий и конструкций
Выбор рациональных способов формирования и оптимальных режимов уплотнения имеет первостепенное значение в производстве легкобетонных изделий хорошего качества, долговечных и экономически эффективных. В процессе формования очень важно получить заданную степень уплотнения бетонной смеси, изделия требуемой геометрической формы с точными размерами и однородной по сечению структуры бетона.
Под формуемостью или удобоукладываемостью подразумевается способность бетонной смеси сравнительно легко и с наименьшими энергетическими затратами принимать заданную форму и обеспечивать при этом необходимую степень уплотнения и однородную структуру во всех точках бетонируемого изделия и соотружения.
Легкобетонные смеси плотной и поризованной структуры, подобно обычным бетонным смесям на плотных заполнителях, могут иметь любую степень удобоукладываемости.
Таблица 2
Классификация плотных и поризованных
легкобетонных смесей
|
Смесь |
Показатель удобоукладываемости по ГОСТ 11051-70
| |
Подвижность В см |
Жесткость в сек | |
Литая |
>15 |
- |
Подвижная |
15-3 |
- |
Малоподвижная |
3-1 |
До 30 |
Умеренно жесткая |
0 |
30-60 |
Жесткая |
0 |
60-100 |
Особо жесткая |
0 |
Более 100 |
Однако водопотребность их при этом намного больше, чем у смесей на плотных заполнителях. Повышенное количество воды, необходимое для получения заданной удобоукладываемости, объясняется в основном значительной пористостью.
Свойства и основные экономические показатели
изготовляемой продукции
Заполнитель занимает в бетоне до 80% его объема. Получение легкого бетона с оптимальными свойствами существенно зависит от вида применяемого пористого заполнителя (см. схему). Свойства заполнителя определяются, прежде всего, его объемной насыпной массой. Установлены следующие марки пористого заполнителя по объемной массе (в кг/м): 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000.для песка принята дополнительная марка 1200 кг/м.
По химическому составу пористые заполнители разделяют на кислые и основные. Они могут иметь различное соотношение стекловидной и кристаллической фаз. Слагающее их вещество может находиться почти целиком в стекловидной фазе (кислые гранулированные доменные шлаки, керамзит из хорошо вспучиваемых глин) или же иметь кристаллическую структуру (некоторые карбонатные заполнители). Такие заполнители, как аглопорит, в равной мере содержат стекловидную и кристаллическую фазу.
Искусственные пористые заполнители подразделяются на мелкие и крупные: к мелким относятся сыпучие материалы (песок) объемной насыпной массой (в высушенном состоянии) не более 1200 кг/м при крупности зерен до 5 мм, к крупным – зерна от 5 до 40 мм при объемной массе не более 1000 кг/м.
Крупные заполнители для легкого бетона применяют пористые, мелкие же могут быть в некоторых случаях плотными. Так, для конструктивных легких бетонов, от которых требуется не только повышенная прочность, но и возможно меньшая деформативность, рекомендуется в качестве мелкого заполнителя кварцевый песок.
Естественные заполнители получают из природного камня с применением механических методов переработки (дробления, рассева). Искусственные заполнители изготовляют как из минерального сырья, представляющего собой преимущественно осадочные породы (реже вулканического происхождения), так и из побочных продуктов металлургической, энергетической промышленности. Производство их предусматривает применение более сложных технологических процессов: спекания, вспучивания и поризации нагретой или расплавленной массы. Такие заполнители в зависимости от формы зерен и характера их поверхности могут быть гравиевидные и щебневидные, с закрытой и открытой пористостью.
В процессе производства
искусственных заполнителей
Известны четыре основных метода поризации сырья при его термической обработке:
- Легкі метали ,сплави на їх основі
- Ледовые и снежные лавины
- Ледяная пещера
- Лейбниц Готфрид Вильгельм
- Лейкоз крупного рогатого скота
- Лекарственная помощь
- Лекарственная помощь как самостоятельный вид социального обслуживания
- Легкая промышленность
- Легкая промышленность в России
- Легкая промышленность Кузбасса
- Лёгкая промышленность России: состав, уровень развития, размещение. Проблемы и перспективы отрасли
- Легкая промышленность Российской Федерации
- Легкая промышленность Тверской области
- Легкая смерть или спасение души