Легкие бетоны, их применение, виды и особенности производства

В соответствии с официально принятой классификацией, бетоны различаются по плотности, по показателям которой их и делят на категории. Минимальная плотность легкой смеси составляет 800 кг/ м3, верхняя планка ограничивается 2000 кг/м3. Диапазон очень широкий, и в этом лёгкие бетоны выгодно отличаются от тяжёлых, плотность которых варьируется в узких рамках 2200…2500 кг/м3. Какие преимущества это даёт лёгким бетонам в применении, мы и расскажем в этой статье.

Зачем нужны облегчённые бетоны

Определённые виды лёгкого бетона применялись ещё в древности для возведения гидротехнических сооружений, но настоящий бум его развития пришёлся на 20 век, так как учёных очень привлекло такое свойство искусственного камня, как малый объёмный вес (он же плотность). Это даёт возможность снизить вес надземных строительных конструкций, варьируя в ту или иную сторону величину перекрываемого пролёта, и тем самым уменьшить нагрузку на колонны и фундаменты.

• Компенсировать сниженный модуль упругости в изгибаемых элементах можно повышением процента армирования. Правда, увеличение количества арматуры не слишком способствует удешевлению самой заливаемой конструкции, но, к примеру, перекрытия можно сделать тоньше, и за счёт снижения нагрузок уменьшить себестоимость фундамента.
• С применением более лёгкого железобетона в СССР достигалось удешевление многоэтажных зданий, кровельных пролётов большой площади, настилов мостов. И чем выше соотношение постоянных и временных нагрузок, тем экономия получалась больше.
• Подобные замены тяжёлого бетона лёгким возможны не во всех строительных сферах, поэтому для расширения области применения стали использовать — причём с ещё большей эффективностью, низкомарочные лёгкие бетоны, отличающиеся сниженной теплопроводностью. Она напрямую зависит от плотности — как и некоторые другие характеристики.
• Объёмный вес бетонной смеси зависит от этого же свойства заполнителя — и чем вес ниже, тем меньшую плотность и коэффициент теплопроводности получает бетон. Поэтому, вместо активно применяемых ранее в производстве лёгких бетонов: ракушечника, туфа, вулканического шлака, зольного гравия, стали использовать более лёгкие пористые заполнители.

На заметку: Наиболее эффективно бетоны на этих наполнителях использовали при разработке крупнопанельных ограждающих конструкций — как однослойных, так и сэндвичного типа, состоящих из несущих слоёв тяжёлого бетона, и теплоизоляционного внутреннего слоя из крупнопористого лёгкого бетона. Так же из лёгких бетонов производили облегчённые панели перекрытий и перегородок.

Наполнитель — это главное

В качестве лёгких наполнителей стали использовать пемзу, перлит, вспученный вермикулит, аглопорит, но наибольшее применение получил керамзитобетон. Мелкий наполнитель вообще стал проблемой, так как в природе лёгких песков практически нет, и учёным пришлось решать вопрос получения песков искусственных: керамзитового, шлакового, перлитового.

• Одно время даже применяли такую технологию изготовления лёгкого бетона. Для образования песчаных фракций на бетономешалках устанавливали специальное колесообразное устройство, в котором обкатывали и перетирали крупные зёрна керамзита.
• Таким образом, получали керамзитобетон на керамзитовом песке, хотя нередко крупный керамзит добавляли в цементно-шлаковый раствор, или компоновали с мелко молотым перлитом. Позднее, когда в ход пошли ячеистые бетоны с плотностью намного ниже 800 кг/м3, от столь трудоёмкой технологии отказались.
• К тому же, в производстве лёгких бетонов стали применять и органические наполнители: древесную дроблёнку и костру некоторых растений (арболит), гранулы пенополистирола (полистиролбетон). Эти бетоны тоже лёгкие, но изготавливаются по отдельным стандартам, и могут иметь плотность 150-500 кг/м3.
• Выше упоминалось, что у лёгких бетонов не просто меньше плотность, но и большой диапазон для её вариаций. А так как от этой характеристики зависит ряд прочих важных показателей: прочность, теплопроводность, паропроницаемость, то и их тоже можно варьировать. Это является если не преимуществом, то отличительной особенностью лёгких бетонов.
• Изменять их плотность можно только двумя способами: 1) за счёт пористости крупных заполнителей; 2) изменением плотности растворной части, состоящей из цемента и песка, зёрна которого тоже имеют определённую степень пористости.
• Из всего списка заполнителей добываемых и производимых в стране, пористых всего 10% — остальные плотные. Казалось бы, процент совсем небольшой, но по факту это огромный объём, исчисляемый миллионами кубометров. Только 2% из этого объёма имеет природное происхождение — остальное производится промышленностью.

Важно: Добыча и переработка минеральных пород (кварца, гранита, диабаза, известняка) наносит больший вред окружающей среде, чем переработка глин для получения керамзита и его производных. Поэтому максимальное использование лёгких бетонов на таком заполнителе решает и ещё одну насущную проблему — экологическую.

В чём преимущества лёгких бетонов

В целом, перечень преимуществ лёгких бетонов, большинство из которых изготавливается на искусственных заполнителях, можно определить так:

1. Уменьшается масса конструкций, что даёт экономию при возведении фундаментов, и несущих элементов здания, работающих на изгиб.
2. Повышенная сейсмостойкость зданий, имеющих комплексный набор конструкций из лёгкого бетона, обеспечивается благодаря более низкому модулю упругости, способствующему более быстрому затуханию колебаний.
3. Снижение теплопроводности лёгкого бетона, благодаря чему возведённые из него ограждающие конструкции в три раза лучше сопротивляются теплопередаче, чем из тяжёлых бетонов.
4. Высокая степень огнестойкости, что особо важно для высотных зданий. Лёгкий бетон сильно не нагревается — а значит, при пожаре арматура не подвергается пластическим деформациям.
5. Несмотря на наличие пор, лёгкие бетоны имеют более высокую водонепроницаемость, чем тяжёлые. В них продвижению влаги по капиллярам противодействует сам заполнитель — а вернее воздух, находящийся в его порах. Под давлением поступающей влаги он сжимается, образуя воздушную пробку, препятствующую дальнейшему проникновению воды.

Виды и особенности лёгких бетонов

Любой бетон, имеющий объёмный вес меньше 2000 кг/м3, может называться лёгким. Снижение плотности искусственного камня не всегда достигается только за счёт облегчения наполнителя — может структурироваться и вяжущая часть.

Примером тому пенобетоны, в которых цементно-песчаная смесь поризуется введением стойкой пены, или газобетоны, в которых ячейки получаются благодаря реакции газообразования. И хотя наполнитель у них — обладающий высокой плотностью кварцевый песок, плотность затвердевшего монолита может составлять всего 200-300 кг/ м3.

Примечание: Хоть ячеистые бетоны и являются разновидностью лёгких, это всё же отдельная категория, отличающаяся ещё и технологиями производства (их применяют в основном в малоэтажном строительстве). Говоря о лёгких бетонах, любой специалист подразумевает в первую очередь смеси на лёгких заполнителях, перечень которых приведён в ГОСТ 25820*2014 (Бетоны лёгкие).

Назначение лёгких бетонов

По назначению лёгкие бетоны делят на:

• Конструкционные. Бетоны наиболее высоких марок, применяют для возведения несущих конструкций. Основное требование: прочность на сжатие не ниже 12,5 МПа.
• Теплоизоляционные. Бетоны наиболее низких марок (не выше 500 кг/м3), применяют для утепления конструкций. Соответственно, коэффициент теплопроводности в сухом состоянии не должен превышать 0,014 Вт/м*С.
• Конструкционно-теплоизоляционные. Бетоны средних марок, совмещает в себе и те, и другие функции, в основном используются для изготовления стеновых блоков, из которых возводят стены малоэтажных зданий. В многоэтажных зданиях такие блоки применяются в качестве заполнения просветов несущего каркаса. Требования: плотность не ниже 500 кг/м3, прочность на сжатие не ниже 1 МПа, морозостойкость не менее 25 циклов.

Конструкционные бетоны М150-М400 изготавливают на портландцементе М300-М600, с закладкой в качестве крупного наполнителя керамзитового гравия, аглопоритового щебня, шлаковой пемзы. Мелкий наполнитель — это природный песок, либо мелкофракционный продукт дробления горных пород. Средняя плотность таких бетонов составляет 1600-1800 кг/м3, что значительно меньше, чем у бетонов на гранитном или известняковом щебне.

Чтобы снизить плотность лёгкого бетона до конструкционно-теплоизоляционной, подбирают заполнитель с более высокой степенью пористости, и с более крупной фракцией зёрен. Цель состоит в том, чтобы уменьшить содержание цементного камня, утяжеляющего бетон. При этом зернистый заполнитель должен обладать прочностью, которая определяется величиной напряжения при раздавливании (не менее 0,4 МПа).

Различия по составам

Существует немало видов лёгких бетонов, которые условно можно разделить на крупнопористые и поризованные. А так как степень пористости в первую очередь зависит от наполнителя, именно он и является основным признаком классификации. Рассмотрим возможные варианты чуть более подробно:

• Аглопоритобетон. В нём функцию наполнителя выполняет аглопорит, как и керамзит изготавливаемый из глинистых пород, но по другой технологии (путём дробления и спекания шихты). Может изготавливаться на смешанных вяжущих (цемент-известь) и с частичной заменой песчаной фракции аглопорита золой.
• Шунгизитобетон. Шунгизит является метаморфической сланцевой породой, содержащей скрытые кристаллы углерода. В производстве бетона используется шунгизитовый гравий и песок (обожжённый или дроблёный). В некоторых рецептурах присутствует ещё и кварцевый песок, вяжущая основа всегда цементная.
• Перлитобетон. Перлит образуется в результате гидратации вулканической породы обсидиана, и обладает пористостью до 40% по массе. Бетон с его применением изготавливают на цементе или его комбинации с известью, да и сам перлит могут сочетать с керамзитом. Вяжущей основой может служить полимерная смола — в этом случае смесь называют перлитопластбетоном.
• Шлакобетон. Наиболее высокую прочность имеет бетон, в котором в качестве наполнителя используется топливный либо металлургический шлак с добавлением песка. Дабы избавить его от вредных солей и необожжённых частиц глины, шлаки не меньше года держат под открытым небом в отвалах. Основным вяжущим является цемент, но в качестве пластификатора может добавляться известь или глина.

Керамзитобетон — заключение

Наиболее распространённым видом лёгкого бетона является керамзитобетон. Затворяют его на цементе (реже с добавкой строительного гипса, извести или жидкого полимера), наряду с крупным заполнителем применяют пористый или же плотный кварцевый песок — хотя есть и беспесчаные рецептуры. Теплоизоляционный керамзитобетон применяют в основном в многослойных ограждающих конструкциях, в качестве изоляционного среднего слоя.

Из конструкционно-теплоизоляционных смесей делают однослойные стеновые панели, блоки для кладки стен и формирования сборно-монолитных перекрытий. Что касается конструкционного керамзитобетона, то его при высокой плотности, морозостойкости и водонепроницаемости используют вместо тяжёлого бетона в крупноразмерных конструкциях: мостах, гидротехнических сооружениях и даже делают корпуса морских судов.