Крупнопористый керамзитопенобетон — эффективный конструкционно-теплоизоляционный материал для устройства наружных ограждающих конструкций

РЕФЕРАТ. Крупнопористый керамзитопенобетон является разновидностью известного стенового материала — ​крупнопористого керамзитобетона, технология получения которого была разработана во 2-й половине XX века и нашла достаточно широкое применение в крупнопанельном домостроении. Возросшие в современных условиях требования к термическому сопротивлению ограждающих конструкций сделали практически невозможным применение крупнопористого керамзитобетона в качестве основного слоя стеновых панелей, что на долгие годы стало причиной отказа от их массового использования. В статье представлена информация об особенностях технологии изготовления и применения крупнопористого керамзитопенобетона, характеризующегося пониженной средней плотностью (400—450 кг/м³) и коэффициентом теплопроводности не более 0,11 Вт/(м • °С). Этот эффект обеспечивается за счет применения особо легкого керамзитового гравия (насыпной плотностью 250—270 кг/м³) и микропоризации синтетическими пенами цементного камня в бетоне.

Ключевые слова: керамзит, пенообразователь, крупнопористый керамзитопенобетон, вибропрессование.

Keywords: keramzit, foam former, coarse-porous keramzit-foamed concrete, vibration molding.

Введение

Основная задача при использовании крупнопористого керамзитопенобетона в наружных стеновых конструкциях — ​обеспечить необходимый уровень теплопроводности получаемого материала без суще­ственного роста его средней плотности, чтобы он позволял удовлетворить современные требования к термическому сопротивлению устраиваемых конструкций, избежав увеличения их толщины. Не менее важно обеспечить звукоизолирующую функцию внутренних стен и перегородок жилых и общественных зданий.
Теоретические основы формирования структуры и технологии получения крупнопористого керамзитобетона разработаны в 1970—1980-х годах [1—3] и отражены в рекомендациях НИИЖБ им. А.А. Гвоздева для его прак­тического применения [4, 5]. Широко известны и разработки в области формирования структуры пенобетона с применением безвибрационной технологии его изготовления [6—9].

В настоящей статье приведены основные результаты исследований в области разработки технологии изготовления штучных изделий — ​стеновых блоков и формирования при этом поризованной структуры цементного камня. Дана оценка размеров пор, степени поризации крупнопористого керамзитопенобетона и сведения о ряде его свойств в сравнении с соответствующими показателями керамзитобетона, полученного без применения пенообразующих добавок. Также оценена возможность использовать крупнопористый керамзитопенобетон при изготовлении наружных стеновых панелей зданий и сооружений без дополнительного устройства слоя из теплоизолирующего материала (минеральной ваты, пенополистирола и др.), но с обеспечением теплозащитной функции в варианте самонесущей конструкции.

Материалы и методики исследований

В исследованиях применен портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ОАО «Кричевцементношифер», физико-механические свойства которого определяли по ГОСТам 310.1—76, 310.3—76 и 310.4—81 (табл. 1). Использовать портландцементы более низких классов прочности при изготовлении поризованного бетона нерационально, поскольку необходимо формировать доста­точно прочную и устойчивую структуру ячеи­стобетонной массы за короткий пе­риод, предшествующий началу схлопывания «пузырьков» пены, с учетом того, что пенообразователь замедляет схватывание цемента.

В качестве порообразующей добавки (пос­ле предварительных оценочных испытаний разных веществ) использовали синтетический пенообразователь «Техникс 6НС» (РБ) со следующими характеристиками:

• плотность при температуре 20—25 °C — 1040 кг/м³, 
• pH пенообразователя — ​8,90,
• устойчивость пены — ​690 с.

Для затворения бетона использовали водопроводную воду, удовлетворяющую требованиям СТБ 1114—98.

В качестве крупного заполнителя применяли керамзитовый гравий производства ОАО «Завод керамзитового гравия г. Новолукомль» (РБ) со следующими характеристиками:

• размер гранул — ​10—16 мм,
• прочность на сжатие — ​0,65 МПа,
• насыпная плотность — ​260 кг/м³.

Керамзитопенобетонную смесь готовили по разработанной нами методике следующим образом. В смеситель подавали керамзитовый гравий, после чего вводили часть воды затворения, чтобы предварительно увлажнить заполнитель. После перемешивания заполнителя с водой (в течение 30 с) вводили предварительно приготовленный рабочий раствор пенообразующей добавки с непрерывным перемешиванием в тече­ние 60 с. Далее, так же при непрерывном перемешивании, подавали в смеситель цемент, а затем оставшую­ся часть воды затворения, после чего смесь окончательно перемешивали в течение 60 с. За счет применения пенообразующей добавки, которая также является гидрофобизатором 2-й группы и обеспечивает эффект пластификации, смесь получалась достаточно подвижной (на уровне П4—П5), ввиду чего не требовалось ее дополнительное вибро­уплотнение (которое, напротив, могло приводить к гашению пены).

Основой для разработки данной технологии послужила известная одностадийная технология приготовления пенобетона [10—12]. Отличия от нее были в части предварительного увлажнения и введения керамзитового гравия, что в сочетании с пониженным расходом цемент­ного вяжущего и с виброуплотнением при последующем формовании изделий поз­волило получить крупнопористую структуру керамзитопенобетона.

Существенно, что при формовании штучных изделий из керамзитопенобетона, приготовленного по данной технологии, возможно их раннее частичное распалубливание (опробованное на примере образцов-блоков размерами 490 × 300 × 185 мм), чего достигали за счет ввода в керамзитопенобетонную смесь CaCl₂ и Al₂(SO₄)₃ (при дозировке каждой из этих добавок по 1 % массы цемента). Распалубленные через 20 с образцы перемещали на поддоне, при этом не нарушалась их сплошность и сохранялись их геометрические параметры. Следовательно, есть предпосылки для разработки в будущем подобной технологии безопалубочного формования других изделий из керамзитопенобетона, а также возможность устраивать защитно-декоративные и отделочные слои (внутренний и внешний) при изготовлении в формах стеновых панелей различного назначения.

Достоверность основных экспериментальных показателей (средней плотности, проч­ности и др.) оценивали путем определения разброса их значений по коэффициентам вариации [13].

Структура и свойства крупнопористого керамзитопенобетона

В работах по технологии крупнопористого керамзитобетона [1—3, 14 и др.] установлено, что расход цемента прямо зависит от крупности (т. е. удельной поверхности) заполнителя, его влажности и водоцемент­ного отношения (В/Ц) бетона. В итоге эти факторы влияют на толщину слоев материа­ла, обволакиваю­щих частицы заполнителя. Установлено, что оптимальная толщина такого слоя цемент­ного камня для крупнопористого керамзитобетона, позволяющая обеспечить требующие­ся физико-механические свойства, должна составлять 0,14—0,25 мм.

Учитывая, что расход керамзитового гравия для изготовления 1 м³ бетона (в уплотненном «теле») не изменяется и равен 1,08—1,12 м³ (в рыхлонасыпном состоянии, в зависимости от формы и размера зерен заполнителя), расход цемента должен составлять 160—200 кг. Исходя из этого, для исследований формирую­щейся структуры крупнопористого керамзитопенобетона были изготовлены образцы следующего состава: цемент — ​160 кг; керамзитовый гравий фракций 10 — 16 мм — ​1,08 м³; пено­образователь «Техникс 6НС» — ​0,26 % массы цемента. С учетом добавленной воды, необходимой для смачивания заполнителя, затворения цемента и приготовления рабочего раствора пено­образователя, В/Ц составило около 0,35.

Изготовленные образцы хранили в течение 28 сут в нормально-влажностных усло­виях, после чего из них изготовили «спилы» для микроструктурных исследований сформировавшихся оболочек из поризованного цементного камня, обволакивающих частицы заполнителя (рис. 1). Усредненная толщина этих оболочек близка к 0,5 — 0,6 мм (рис. 1, а). Это примерно в 2 раза больше, чем при таком же расходе цементного вяжущего и заполнителя в крупнопористом керамзитобетоне, приготовленном без введения пенообразователя. Очевидно, увеличение толщины оболочек на поверх­ности зерен заполнителя связано с ростом объема цемент­ного камня за счет поризации его структуры пенообразую­щей добавкой. Такой вывод подтверждается видом среза оболочки (рис. 1, б) — ​в ней присутствуют поры различных размеров (0,07 — 0,25 мм) при достаточно высокой степени поризации цемент­ного камня.

Рис. 1. Микроструктура оболочек из цементного камня, окружающих заполнитель в керамзитопенобетоне: а — толщина оболочек, б — размеры пор

Основные физико-технические характеристики изготовленного крупнопористого керамзитопенобетона и стандарты, по которым их определяли, приведены в табл. 2 в сопоставлении с соответствующими показателями традиционного крупнопористого керамзитобетона. Значения средней плотности традиционного крупнопористого керамзитобетона и керамзитопенобетона близки, прочность на сжатие у последнего не меньше, чем у традиционного материала, теплопроводность — ниже, а паропроницаемость — выше. 

Одно из направлений дальнейших исследований — ​оценка возможности снизить расход цемента, доведя толщину оболочек вокруг зерен заполнителя в крупнопористом керамзитопенобетоне до оптимального значения (приблизительно 0,25 — 0,30 мм). При этом также может снизиться средняя плотность керамзитопенобетона, что позволит уменьшить его теплопроводность при повышении паропроницаемости, т. е. улучшить важнейшие характеристики качества этого стенового материала.

Применение крупнопористого керамзитопенобетона

Чтобы определить возможную область применения крупнопористого керамзитопенобетона, из него изготовили образцы-блоки (фрагменты стеновых конструкций) размерами 490 × 300 × 170 мм с дополнительными наружными отделочными слоями из цемент­но-песчаного раствора, содержащего либо природный кварцевый, либо керамзитовый песок (рис. 2). Изделия изготавливали по технологии вибропрессования на бетоноформовочной установке от фирмы HESS (Германия). Размеры блоков определялись размерами пресс-форм установки. Примененная технология формования мелкоштучных изделий основана на традиционных переделах изготовления путем «щадящего» (с минимально необходимым давлением пригруза) вибропрессования жестко-пластичных смесей в инвентарных формах — ​матрицах.

Прочность сцепления керамзитопенобетона с наружным слоем из раствора с кварцевым песком, которую определяли по ГОСТ 28574—2014, была не ниже 0,82 МПа, из раствора с керамзитовым песком — ​не ниже 0,75 МПа. Это удовлетворяет требованиям действующих нормативов [15] на прочность сцепления различных слоев бетона наружных ограждающих конструкций, при которой обеспечиваются необходимые условия, позволяющие снизить риск отслаивания наружных слоев в ходе их эксплуатации.

При расчете термического сопротивления слоев стеновых панелей из изготовленных блоков принимали их суммарную толщину равной 390 мм, так как стандартная борт­оснастка, которую применяют на большин­стве заводов крупнопанельного домостроения Беларуси, позволяет изготавливать наружные стеновые панели с общей толщиной, не превышающей этого значения. Толщину каждого из двух отделочных слоев (наружного и внутреннего) принимали равной 25 мм, толщину основного слоя из керамзитопенобетона — ​340 мм. Общее расчетное термическое сопротивление составило около 3,25 м² · °С/ Вт для блоков с отделочными слоями из раствора на керамзитовом песке и 3,21 м² · °С/ Вт — ​на природном кварцевом песке, что удовлетворяет дей­ствующим в Беларуси нормативам [14].

По результатам выполненных исследований были определены направления дальнейшего совершенствования технологии изготовления крупнопористого керамзитопенобетона, а также способы его применения при изготовлении сборных строительных изделий и при монолитном строительстве бетонных сооружений. В частности, исследуется технология широкомасштабного производ­ства и применения штучных стеновых блоков (рис. 2) для мало- и многоэтажного строительства объектов различного назначения.

Рис. 2. Образцы-блоки размерами 490 × 300 × 170 мм из керамзитопенобетона с наружными отделочными слоями

Разрабатываются проектные решения, которые предусматривают использование наружных стеновых панелей, аналогичных по сечению показанным на рис. 2 блокам, а также технология их производства (рис. 3). Такие панели можно изготавливать в формах либо на стенд-поддонах, оснащенных съемной борт­остнасткой на магнитах. Технология их изготовления реализуется в рамках реконструкции производственных мощностей одного из предприятий крупнопанельного домостроения Беларуси. Чтобы применять эту технологию, предварительно подготавливают следующее:

• бетоносмесительный узел и тракты подачи бетона;
• организационно-технологическую схему производственного процесса и его оснащения оборудованием; 
• режимы формования, ускоренного твердения бетона, доводки и реализации продукции.

Для варианта монолитного строительства прорабатывается технология приобъектного изготовления крупнопористого керамзитопенобетона с его применением при возведении стеновых конструкций в несъемной (или съемной) опалубке, а также при устройстве теплоизолирующих слоев покрытий различного назначения.

Рис. 3. Стеновые панели из керамзитопенобетона

Заключение

Предложен усовершенственный вариант крупнопористого керамзитобетона — ​крупнопористый керамзитопенобетон, отличающийся от исходного искусственно создаваемой поризацией оболочек цементного камня, формирующихся вокруг зерен крупного заполнителя и в зонах их взаимных контактов.

Разработаны теоретические основы и проведена экспериментально-производственная апробация технологии получения крупнопористого керамзитопенобетона, в котором зерна керамзитового гравия окружены равномерно распределенными и прикрепленными к их поверхности оболочками из поризованного цементного камня. Установлено соотношение компонентов, обеспечивающее стабильную поризацию цементного камня и требуемую консистенцию керамзитопенобетонной смеси, что в совокупности позволяет формовать без дефектов, с частичной немедленной распалубкой (на поддон) штучные изделия, либо крупногабаритные сборные (плитные) изделия, либо стеновые конструкции в опалубках разных типов.

Рассматриваемая технология существенно отличается от традиционной технологии получения пенобетонных смесей, в ходе применения которой виброуплотняющие колебания оказывают деструктивное воздействие на формирующуюся структуру материала и приводят к повышенным осадочным явлениям, а в итоге — ​к росту средней плотности затвердевшего пенобетона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ицкович С.М. Крупнопористый бетон (технология и свойства). М.: Стройиздат, 1977. 117 с.

2. Комиссаренко Б.С. Керамзитобетон для эффективных ограждающих конструкций: дисс. … д-ра техн. наук. Самара., 2000. 320 с.

3. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высш. школа, 1978. 455 с.

4. Рекомендации по применению керамзитобетона в сборных конструкциях гидротехнических сооружений мелиоративных систем. М.: Стройиздат, 1988. 16 с.

5. Комиссаренко Б.С., Ульянов Ю.Н., Ягунд Г.К., Шаблевский В.В. Блоки из крупнопористого керамзитобетона со специальными свойствами. ТУ 2131-17-76. Куйбышев, 1976.

6. Краева Е. Проблемы производства пенобетона // Строй­ка Санкт-Петербург [Электронный ресурс]. URL: http://library.stroit.ru/articles/probbet/index.html (дата обращения 24.09.2025).

7. Меркин Л.П., Кобидзе Т.Е. Особенности структуры и основы технологии получения эффективных пенобетонных материалов // Строительные материалы. 1988. № 3. С. 16—18.

8. Марчик Е.В., Кузьменков М.И. Неавтоклавный пенобетон на синтетических пенообразователях // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь. Сб. трудов XVI междунар. науч.-метод. семинара, 28—30 мая 2009 г. Ч. 2. Брест, 2009. С. 52—54.

9. Моргун Л.В. Анализ структурных особенностей пенобетонных смесей // Строительные материалы. 2005. № 12. С. 44—48.

10. Киселев Д.П., Кудрявцев А.А. Поризованные легкие бетоны. М.: Стройиздат, 1966. 83 с.

11. А. с. № 2128154 Российская Федерация. Способ получения пенобетона / Ахундов А.А., Баталин Ю.П., Беккер А.Я., Гудков Ю.В., Иваницкий В.В., Слесарев В.В., Хмыз О.Н. Опубл. 27.03.1999.

12. Кобидзе Т.Е., Коровяков В.Ф., Самборский С.А. Получение низкоплотного пенобетона для производства изделий и монолитного бетонирования // Строительные материалы. 2004. № 10. С. 56—58.

13. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Кн. 2. М.: Финансы и статистика, 1987. 349 с.

14. СП 2.04.01-2020. Строительная теплотехника. Минск: Стройтехнорм, 2020. 76 с.

15. СП 1.03.01-2019. Отделочные работы: взамен ТКП 45-1.03-311-2018: дата введения 24.02.2020. Минск: Стройтехнорм, 2020. 24 с.

Автор: М.М. Мордич

Рубрика: Бетон

Ключевые слова: керамзит, пенообразователь, крупнопористый керамзитопенобетон, вибропрессование