Конструкционно-теплоизоляционные легкие бетоны на стекловидных пористых заполнителях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

конструкционно-теплоизоляционные Легкие бетоны на стекловидных пористых заполнителях

Давидюк Алексей Николаевич

Ростов - на - Дону, 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Конструкторско-технологическое бюро железобетона» (ФГУП «КТБ ЖБ») и кафедре технологии строительного производства Ростовского государственного строительного университета (РГСУ).

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Несветаев Григорий Васильевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Коровяков Василий Федорович

доктор технических наук, профессор

Перцев Виктор Тихонович.

доктор технических наук, профессор

Хаджишалапов

Гаджимагомед Нурманомедович.

Ведущая организация:

Московский государственный строительный университет (МГСУ)

Защита диссертации состоится «26» октября 2010 г. в 10¹⁵ ч на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 в Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов - на - Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд. 232. Факс 8 (863) 263 50 70.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте ВАК.

Автореферат разослан «25» августа 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.В. Налимова

1. Актуальность проблемы

В России жилищный вопрос продолжает оставаться острой социальной проблемой. Как известно, жилищный фонд России оценивается примерно в 2,9 млрд. м², или около 20 м² на душу населения, в то время как этот показатель в Норвегии составляет 74 м², в США - 70, в Германии - 50, во Франции - 43, в Чехии - 28, в Китае - 27. При этом порядка 92 млн. м² (3,17%) в России - это аварийное и ветхое жилье. В ближайшие 15 лет в такое состояние может перейти еще примерно 300 млн. м² (10,3%). В последнее время вводится примерно 35 млн. м² жилья в год, при этом около 70 % россиян нуждаются в улучшении жилищных условий. Очевидно, что в такой ситуации вопрос о резком увеличении объемов жилищного строительства является актуальнейшей задачей, о чем, в частности, свидетельствует принятие Национального проекта «Доступное жилье - гражданам России». Задача удвоения объемов ежегодно вводимого жилья на ближайшие 10 лет предопределяет потребность в развитии технологий и создании новых конструктивных систем и материалов, в т.ч. для ограждающих конструкций. Принятое концептуальное направление постепенного перехода на преимущественный рост малоэтажной застройки при поставленных задачах к 2018 г. довести объем ввода жилья до 85 млн. м² означает одно - в ближайшие годы необходимо максимально использовать возможности сложившейся структуры жилищного строительства при возведении социального жилья. Созданная в свое время мощная база индустриального домостроения (420 ДСК мощностью около 50 млн. м²) сегодня используется примерно на 20 %. Применение эффективных ограждающих конструкций для крупнопанельного домостроения может оказать существенный вклад в развитие этого сектора строительства социального жилья.

Ограждающие конструкции, как правило, полифункциональны, в связи с этим естественны противоречия при выборе материалов для реализации таких конструкций, поскольку универсального материала нет. И, хотя существует мнение об эффективности применения однослойных конструкций, учитывая вышеизложенное, следует сделать вывод о целесообразности использования в зависимости от климатических условий и слоистых конструкций с разделением функциональных «обязанностей» каждого слоя и применением для него наиболее эффективного материала. В любом случае легкий бетон будет составляющим элементом ограждающей конструкции. Использование конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов классов В 3,5 - В 7,5 позволит использовать самонесущие и навесные НСП для восприятия усилий в случае необходимости предотвращения прогрессирующего обрушения. В России имеется полувековой опыт эксплуатации зданий из керамзитобетона (в США и Канаде - более 70 лет). В настоящее время порядка 200 заводов по производству керамзита после реконструкции способны выпускать до 15 млн. м³ заполнителей в год. Однако, несмотря на обилие разработок в этом направлении, реальные достижения в производстве керамзитового гравия плотностью 300 - 400 кг/м³ и конструкционно-теплоизоляциионных керамзитобетонов плотностью до 800 кг/м³ на протяжении многих лет выглядят достаточно скромно. Перспективным для производства легких бетонов считается вспученный перлит. Но некоторые технологические проблемы, обусловленные высокой водопотребностью этого заполнителя и, главное, состояние сырьевой и производственной базы вспученного перлита, не позволяют прогнозировать широкое его применение в качестве заполнителей для бетонов в ближайшие годы. Таким образом, не снимая вопрос об актуальности исследований в области совершенствования технологии и увеличения объемов производства традиционных пористых заполнителей и бетонов со средней плотностью 500 - 800 кг/м³ на их основе, необходимо вести поиск альтернативных материалов и технологий. В связи с этим внимание исследователей давно акцентировано на возможности расширения сырьевой базы и производства новых пористых заполнителей, в частности, гравиеподобных, имеющих сплошную оболочку с закрытой пористостью, твердая фаза которых более чем на 90% находится в аморфизированном стекловидном состоянии (в дальнейшем - стекловидных). В основу работы положена гипотеза о том, что применение новых стекловидных пористых заполнителей с повышенными прочностными и теплозащитными свойствами в конгломератах на цементных вяжущих с учетом предлагаемых структурных и технологических факторов обеспечит получение эффективных легких конструкционно- теплоизоляционных бетонов с улучшенными показателями деформативно-прочностных и теплозащитных свойств в сравнении с известными легкими бетонами на обжиговых заполнителях, при этом решение предлагаемой критериальной системы уравнений теплофизической и гигрофизической эффективности материалов обеспечит принятие рациональных проектных решений ограждающих конструкций в различных климатических условиях.

Целью работы является обоснование критериев эффективности материалов для рациональных ограждающих конструкций в различных климатических условиях и разработка на основе развития научных представлений о формировании структуры и взаимосвязи свойств основ технологии эффективных конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на имеющих практически неограниченную сырьевую базу стекловидных пористых заполнителях с нормативным обеспечением совокупности необходимых для практического применения основных показателей назначения бетонов - конструкционных, теплофизических и гигрофизических.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Установить общие закономерности влияния рецептурно - технологических факторов на коэффициенты теплофизической и гигрофизической эффективности материалов и классифицировать материалы по степени эффективности в зависимости от климатических условий строительства.

2. Разработать технологические основы легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях, выявить основные закономерности «состав - технология - структура - свойства».

3. Изучить основные закономерности взаимосвязи основных свойств легких бетонов на стекловидных заполнителях и предложить нормативное обеспечение конструкционных, теплофизических и гигрофизических свойств бетонов на стекловидных заполнителях для практического применения.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- развиты научные представления о формировании структуры легких бетонов и взаимосвязи их основных свойств - конструкционных, теплофизических, гигрофизических, выявлено влияние стеклофазы в составе пористого заполнителя на совокупность свойств бетонов, разработаны основы технологии и нормативное обеспечение для практического применения легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях;

- впервые предложена классификация материалов по теплофизической и гигрофизической эффективности, разработаны основные положения выбора, сформулированы требования к величине коэффициентов эффективности бетонов для однослойной или рациональной многослойной ограждающей конструкции в зависимости от условий эксплуатации;

- изучено влияние основных факторов, определяющих теплопроводность бетонов на стекловидных заполнителях, установлены закономерности и предложена формула, определяющая коэффициент теплопроводности бетона в сухом состоянии в зависимости от коэффициентов теплопроводности и объемной концентрации матрицы и заполнителя, позволившая оценить вклад каждого элемента двухуровневой системы «матрица - заполнитель» в формировании коэффициента теплопроводности бетона.

Практическая значимость работы:

- определены основные положения технологии легких конструкционно -теплоизоляционных бетонов плотностью 600 - 800 кг/м³ классов В 3,5 - В 7,5 на стекловидных пористых заполнителях, включающие в себя подбор состава, технологию приготовления бетонной смеси, обоснование режимов и способов ТВО. Определен минимальный расход цемента по условию защиты арматуры от коррозии;

- установлены основные закономерности изменения основных физико- механических свойств легких бетонов на стекловидных заполнителях от изменения рецептурно-технологических факторов;

- предложено нормирование для инженерной практики призменной прочности, начального модуля упругости, «предельной» сжимаемости, предела прочности при растяжении, меры ползучести, деформаций усадки, сцепления арматуры с бетоном, сорбционной влажности, коэффициента паропроницаемости, коэффициента теплопроводности с учетом режима эксплуатации.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований включены в нормативные документы: ТУ 48 - 0401 - 107/0 - 92 «Панели наружные азеритобетонные для жилых зданий», ТУ 110 - 029 - 90 «Гравий и песок витрозитовые», ТУ 31 - 0871 - 65/0 - 91 «Азеритобетон для наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений», ТУ 01116372021 - 90 «Пеностеклогранулятобетон конструкционно-теплоизоляционный для наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений», «Технологический регламент по уменьшению материалоемкости в высотном строительстве, в том числе использованием бетонов на пористых заполнителях», гос. контракт № 230 23.12.2009.

Производственное внедрение осуществлено при разработке технологических регламентов на:

- производство опытной партии стеновых панелей типа НС-2-6 и 2НС-2-4 жилых домов серии III - 121 из легкого бетона на вспученном витрозитовом гравии (ВВГ) в условиях г. Воскресенска на КПД-2 Воскресенского домостроительного комбината;

- производство стеновых панелей серии 111 - 112Н из легкого бетона на основе вспученного туфоаргиллитового гравия (ВТГ) на ЗКПД - 2 в условиях г. Норильска. За период с 1990 г. экономический эффект от применения стеновых панелей из бетонов на стекловидных пористых заполнителях в Норильском промышленном районе составил не менее 50 млн. руб. (в ценах 2008 г.).

- производство в условиях ЖБК-7 СПО Армстройиндустрии опытной партии стеновых панелей из бетона на пеностеклогрануляте (ПСГ), разработанных в ПЭКТИ (Ереван).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

- международных научных конференциях: 1991 г. (Москва); 1992 г. (Кавказ - 92), «Дни современного бетона», 2010 (Запорожье);

- Международном форуме AF ES - 2007 «Перспективные задачи инженерной науки», 2007 г. (Халкидики, Греция);

- Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве», 2008г. (Воронеж);

- Всероссийской научно-практической конференции «Применение современных технологий и оборудования при строительстве и восстановлении объектов», 2008 г. (Балашиха);

- республиканских научно-технических конференциях: 1986 г. (Москва); 1987 г. (Ашхабад); 1989 г. (Фрунзе).

На защиту выносится:

- совокупность теоретических положений, определяющих возможность выбора эффективных материалов для рациональных однослойных и трехслойных ограждающих конструкций для принятия принципиального конструктивного решения, на основе сопоставления коэффициентов теплофизической и гигрофизической эффективности и предложенной классификации эффективности легких бетонов и теплоизоляционных материалов;

- классификация по теплофизической и гигрофизической эффективности легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов и теплоизоляционных материалов с учетом климатических условий строительства;

- развитие научных представлений о количественной оценке теплофизической эффективности материалов, формировании структуры и взаимосвязи свойств легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях;

- целесообразность оценки коэффициента гигрофизической эффективности материала и установленные закономерности его изменения от основных рецептурно-технологических факторов;

- методологические аспекты изучения взаимосвязи «состав - технология - структура - свойства» легких бетонов на пористых заполнителях;

- общие закономерности влияния рецептурно-технологических факторов на основные физико - механические, тепло и гигрофизические свойства легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях;

- результаты комплексных исследований основных свойств и предложения по нормированию основных показателей назначения конструкционно-теплоизоляционных бетонов средней плотностью 600 - 800 кг/м³ классов В 3,5 - В 7,5 на стекловидных пористых заполнителях - ПСГ, ВТГ, ВВГ.

Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обоснование работы, предложения новых критериев оценки качества материалов, разработка методик и программ экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, получение новых и уточнение известных зависимостей, участие в разработке нормативных документов, организация и участие в производственном внедрении. В работах, выполненных в соавторстве, автором сделан основной вклад, выражающийся в формулировании целей и задач исследований, теоретической и методологической разработке основных положений, обобщении и анализе результатов.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 2 монографиях (13,5 п.л.), 15 статьях в журналах (4,5 п.л.), в т.ч.11 (3,8 п.л.) - в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК, 8 (1,8 п.л.) - в материалах научных конференций, 6 (18,8 п.л.) научных трудах в различных изданиях, 1 авторском свидетельстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы из 353 наименований и приложений. Изложена на 381 странице, включая 135 рисунков, 74 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность профессору, доктору технических наук Г.В. Несветаеву, профессору, доктору технических наук В.Г. Гагарину за помощь в работе над диссертацией, кандидатам технических наук М.Р. Арутюнян, И.В. Забродину, С.П. Мироненко за помощь в экспериментальных исследованиях и производственном внедрении.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, научная гипотеза, обозначены научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные выносимые на защиту положения и результаты.

В первой главе приведен анализ состояния вопроса. Проблемой разработки эффективных ограждающих конструкций и исследованиями температурно-влажностных режимов в процессе эксплуатации занимались А.А. Ахундов, В.В. Бабков, М.Я. Бикбау, В.Г. Гагарин, С.В. Корниенко, Е.А. Король, Е.А. Митина, Ю.Д. Нациевский, А.А. Пак, Г.П. Сахаров, А.Е. Семечкин, А.С. Семченков, С.В. Федосов, Е.М. Чернышов, Ю.В. Чиненков и др. Для ограждающих конструкций социального жилья и высотных зданий целесообразно использовать навесные стеновые панели плотностью 380 - 420 кг/м² или самонесущие плотностью до 500 кг/м², выполняемые, в зависимости от климатических условий, одно- или трехслойными с применением эффективных минеральных или полимерных утеплителей. Конструкции могут изготавливаться со связями или без них. Для производства изделий необходимы конструкционно - теплоизоляционные бетоны классов В 3,5 - В 7,5 при средней плотности 500 - 800 кг/м³ на пористых заполнителях, технология, структура и свойства которых исследованы в работах Ю.М. Баженова, Н.П. Блещика, Г.А. Бужевича, А.И. Ваганова, С.Н. Гамаюнова, О.Л. Дворкина, В.Г. Довжика, В.А. Дорфа, В.Т. Ерофеева, А.И. Звездова, И.А. Иванова, А.А. Кетова, П.Г. Комохова, Н.А. Корнева, Ю.Д. Нациевского, В.В. Опекумова, Л.П. Орентлихер, В.П. Петрова, Л.Н. Попова, Н.А. Попова, В.И. Савина, М.З. Симонова, В.И. Соломатова, Н.Я. Спивака, М.Ч. Тамова, В.Н. Ярмаковского и др. Актуальной проблемой является расширение сырьевой базы пористых заполнителей для таких бетонов, повышение их прочности, атмосферостойкости, снижение теплопроводности.

Во второй главе описаны методология, материалы и методика экспериментальных исследований. Бетон является сложной многокомпонентной системой, формирование свойств которой определяется рецептурными, технологическими и эксплуатационными факторами и продолжается длительное время. Поскольку бетон является капиллярно-пористым телом, то при его изучении целесообразно использовать принцип, основанный на выявлении общих закономерностей «состав - технология - структура - свойства». Для легких бетонов на пористых заполнителях задача усложняется еще тем, что пористость таких бетонов представлена двумя системами: поры заполнителя и поры цементного камня (матрицы). В связи с этим в работе при исследовании свойств бетона реализован подход, основанный на выявлении общих закономерностей «свойство - пористость (плотность)» с последующей детализацией их с учетом влияния рецептурно-технологических факторов на основную (генеральную) зависимость. При экспериментальных исследованиях использованы разнообразные материалы. Методики применялись стандартные, исследовательские (НИИЖБ) и специально разработанные.

В третьей главе сформулированы критерии рациональности многослойной ограждающей конструкции, предопределяющие обеспечение требуемого уровня термического сопротивления, допустимого уровня амплитуды температуры и защиту от влагонакопления, позволяющие осуществлять выбор эффективных материалов по величине коэффициентов теплотехнической и впервые предложенного коэффициента гигрофизической эффективности для принятия принципиального конструктивного решения посредством решения уравнений (1), определяющих условие средней массивности конструкции (первое уравнение), необходимое термическое сопротивление слоев (второе уравнение), условие защиты от влагонакопления

(1)

где х - толщина утеплителя, м;

д_i - толщина слоя i-го материала в многослойной конструкции, м;

д - общая толщина многослойной ограждающей конструкции, задаваемая фактическим парком форм или опалубочной системой, м;

К_ц,У, К_ц,Б - соответственно коэффициенты влагозащитной эффективности утеплителя и бетона;

[R]_i - требуемое для данного климатического района термическое сопротивление i - го слоя материала в ограждающей конструкции;

С₀ - удельная теплоемкость бетона, кДж/кг ^оС (0,8 - 0,88);

КТК_i - интегральный коэффициент теплотехнического качества i - го материала, определяющий зависимость коэффициента теплопроводности сухого материала от его плотности;

КТК_Wi - коэффициент теплотехнического качества i - го материала, учитывающий увеличение коэффициента теплопроводности при повышении влажности материала на 1% с учетом средней плотности материала;

W_i - влажность i - го материала в зависимости от режима эксплуатации, %.

Гигрофизический критерий представлен в виде коэффициента влагозащитной (в дальнейшем - гигрофизической) эффективности материала

, (2)

где м - коэффициент паропроницаемости, мг/м·ч·Па;

л - коэффициент теплопроводности, Вт/м ^оС.

Для определения коэффициента теплопроводности легких бетонов л_Б в инженерной практике известная в теории обобщенной проводимости формула В.И. Оделевского трансформирована к виду

, (3)

где с - средняя плотность бетона, кг/м³;

л_Б - коэффициент теплопроводности бетона;

л_С - коэффициент теплопроводности скелета, что позволяет определять коэффициент теплопроводности л_Б бетона в сухом состоянии по величине средней плотности с учетом свойств материала, образующего структуру («скелет») бетона.

Для определения коэффициента теплопроводности бетона в сухом состоянии л_Б в зависимости от коэффициентов теплопроводности и объемной концентрации матрицы и заполнителя впервые предложено использовать модифицированную модель Хирча, полученную ранее для оценки модуля упругости бетона. Полученная в диссертации модель (ф.4) позволяет оценить «вклад» каждого элемента двухуровневой системы «матрица - заполнитель» в формирование коэффициента теплопроводности системы (бетона):

(4)

где л_Б, л_З, л_ЦК - соответственно коэффициенты теплопроводности бетона, заполнителя, цементного камня;

V_ЦК, V_З - соответственно объемная концентрация цементного камня и заполнителя.

Сравнение ф. (4) с известными зависимостями, предложенными Релеем и Harmathy, показало ее преимущество для широкой группы бетонов с маркой по плотности 500 - 900 и хорошее соответствие зависимости, описываемой ф. (3) (табл.1).

Таблица 1. Расчетные и фактические значения коэффициентов теплопроводности бетона на ПСГ

Средняя плотность бетона, кг/м3	VЗ	Коэффициент теплопроводности, Вт/моС
		цементного камня (заполнителя)	бетона
			фактический	по формуле*
				3**	Harmathy	Релей	(4)
800	0,82	0,28 (0,16) 0,41	0,19	0,189 -0,5	0,074 -61,0 0,091 -52,1	0,179 -5,8 0,197 3,7	0,177 -6,8 0,192 1,1
900	0,78	0,28 (0,16) 0,41	0,22	0,215 -2,3	0,091 -58,6 0,112 -49,1	0,183 -16,8 0,206 -6,4	0,181 -17,7 0,199 -9,5
6251	0,82	0,41 (0,089)	0,122	0,144 18,0	0,074 -39,3	0,134 9,8	0,121 -0,8
5501	0,84	0,41 (0,078)	0,104	0,125 20,5	0,063 -39,4	0,119 14,4	0,106 1,9
6002	0,82	0,41 (0,125)	0,16	0,138 -13,9	0,083 -48,1	0,166 3,8	0,158 -1,3
5003	0,82	0,41 (0,085)	0,126	0,113 -10,3	0,073 -42,0	0,13 3,2	0,117 -7,1

* - в числителе - относительная погрешность, %; ** - при значении л_С = 1,7 Вт/м^оС; 1 - по данным В.П. Петрова; 2 - по данным Е.В. Мальцева и др.; 3 - по данным Д.Р. Садыкова, Б.К. Демидовича.

При решении уравнений (1) возможна оптимизация ограждающей конструкции в том числе по экономическим параметрам. Решение второго уравнения из (1) относительно КТК позволяет определить требования по максимальному значению этой величины в зависимости от требуемой величины термического сопротивления, т.е. от климатических условий. Решение первого уравнения из (1) позволит точнее определить целесообразную область применения тех или иных материалов с учетом массивности конструкции, т.е. обеспечения комфортных условий в помещении по амплитуде колебания температуры. Результат решения первого и второго уравнений из (1) позволяет оценить для конкретных условий, какой из факторов, термическое сопротивление или массивность, для данного материала будут определяющими в данном конструктивном решении.



Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности зерна пористого заполнителя от средней насыпной плотности:

К - керамзит по данным

В.Г. Довжика;

К - 2 - керамзит по данным В.П. Петрова;

ПСГ - пеностеклогранулят;

Т - ПСГ - по формуле

;

ЗМ - зольная микросфера по данным Е.В. Мальцева и др.;

ЗМ-2 - зольная микросфера по данным А.Ф. Бернацкого

Это позволит принимать решение по оптимизации параметров конструкции, например, изменение соотношения толщин слоев, замена утеплителя на более (менее) эффективный и т.д. Третье уравнение из (1) позволяет сделать окончательный вывод о применении того или иного материала с учетом обеспечения защиты ограждающей конструкции от влагонакопления. На рис. 2 представлена зависимость минимальной требуемой величины КТК бетонов высокой теплотехнической эффективности, т.е. обеспечивающих не менее 50% требуемого термического сопротивления многослойной конструкции, от величины нормируемого значения термического сопротивления и толщины конструкции (толщина бетонного слоя принята 0,25 и 0,28 м соответственно для толщины конструкции 0,35 и 0,4 м). Используя рис. 2, можно, в зависимости от поставленной задачи, определить толщину конструкции, степень эффективности использования бетона, необходимое значение КТК, эффективный бетон. Таким образом, реализуя принципы проектирования рациональной ограждающей конструкции на основе коэффициентов теплотехнической и гигрофизической эффективности материалов, легко формализовать многокритериальную задачу выбора рациональной конструкции уравнениями (1), решение которых обеспечит выбор эффективных материалов с минимальными затратами на стадии, предшествующей принятию принципиального конструктивного решения.

Развиты научные представления о коэффициентах теплотехнической эффективности материалов. Предложена и обоснована классификация материалов по величине коэффициентов теплотехнической эффективности (бетоны: высокоэффективные КТК < 0,00021; низкоэффективные KTK > 0,00029; утеплители: более эффективный КТК < (KTK = f(с))_средн.). Установлены требования к величине коэффициента теплотехнической эффективности бетонов для рациональной многослойной ограждающей конструкции в зависимости от величины требуемого термического сопротивления.

В табл. 2 приведены значения коэффициентов теплотехнической эффективности и классификация эффективности некоторых легких бетонов, а в табл. 3 - утеплителей.



Рис. 2. Зависимость требуемой минимальной величины КТК бетона от нормируемого термического сопротивления и толщины ограждающей конструкции: В - 0,35 (0,4) - высокоэффективное использование бетонов;

Э - 0,35 (0,4) - эффективное использование бетонов;

0,35 - 0,03 - общая толщина конструкции 0,35 м; КТК_W бетона 0,03

Таблица 2. Коэффициенты теплотехнической эффективности бетонов

Вид бетона	с, кг/м3	ло, Вт/м оС	КТКW	KTK
				Втм2/кгоС	эффективность
Керамзитобетон	1000 800 600	0,27 0,21 0,16	0,052 0,048 0,0625	0,00027 0,000263 0,000267	СЭ СЭ СЭ
Шунгизитобетон	1000	0,27	0,058	0,00027	СЭ
Перлитобетон	1000 800 600	0,22 0,16 0,12	0,048 0,071 0,061	0,00022 0,0002 0,0002	СЭ ВЭ ВЭ
Термозитобетон	1000 800	0,23 0,17	0,076 0,096	0,00023 0,00023	СЭ СЭ
Вермикулитобетон	800 600	0,21 0,14	0,018 0,016	0,000263 0,000233	СЭ СЭ
Аглопоритобетон	1000	029	0,065	0,00029	НЭ
Полистиролбетон	600	0,145	0,047	0,00024	СЭ
Ячеистый автоклавный	1000 800 600	0,29 0,21 0,14	0,041 0,051 0,071	0,00029 0,000263 0,000233	НЭ СЭ СЭ
Бетон на ВТГ	1000 800 600	0,22 0,16 0,12	0,04 0,039 0,052	0,00022 0,0002 0,0002	СЭ ВЭ ВЭ
Бетон на ВВГ	1000 800 600	0,25 0,18 0,15	0,04 0,038 0,031	0,00025 0,000225 0,0002	СЭ СЭ ВЭ
Бетон на ПСГ	1000 800 600	0,24 0,19 0,14	0,04 0,039 0,039	0,00024 0,00024 0,00023	СЭ СЭ СЭ

Примечание: НЭ - низкоэффективный; СЭ - среднеэффективный; ВЭ - высокоэффективный

Таблица 3. Коэффициенты теплотехнической эффективности теплоизоляционных материалов

Материал	с, кг/м3	ло, Вт/м оС	КТКW	KTK
				Втм2/кгоС	эффективность
Пенополистирол ГОСТ 15588	40	0,037	0,035	0,000925	БЭ
Стиропор PS 20	20	0,037	0,014	0,00185	МЭ
Экструдированный пенополистирол «Стайрофоам»	28	0,029	0,007	0,00104	БЭ
Пенополиуретан	40	0,029	0,076	0,000725	БЭ
«Пеноплэкс»	35	0,028	0,024	0,0008	БЭ
Плиты из стекловолокна ГОСТ 10499	45	0,047	0,072	0,00104	МЭ
Плиты URSA	30	0,04	0,03	0,00133	МЭ
Пеностекло	200	0,07	0,143	0,00035	МЭ

Примечание: БЭ - более эффективный, МЭ - менее эффективный

На стадии выбора материалов для обеспечения «рациональности» многослойной ограждающей конструкции предложена классификация материалов по гигрофизической эффективности, основанная на положении, что численное значение коэффициента гигрофизической эффективности материала численно равно величине термического сопротивления слоя материала, при котором сопротивление его паропроницанию не будет превышать 5. Критерии эффективности теплоизоляционных материалов по коэффициенту гигрофизической эффективности К_Ф сформулированы следующим образом (R_0,Б + R_0,У > R₀):

- к высокоэффективным отнесены теплоизоляционные материалы, обеспечивающие в многослойной ограждающей конструкции не менее 70% требуемого термического сопротивления R₀, применение которых не приведет к нарушению п. 13.8 СП 23 - 101 - 2004

, (5)

- к эффективным отнесены теплоизоляционные материалы, обеспечивающие в многослойной ограждающей конструкции не менее 50% требуемого термического сопротивления, применение которых не приведет к нарушению п. 13.8 СП 23 - 101 - 2004

. (6)

Классификация теплоизоляционных материалов по гигрофизической эффективности с учетом климатических условий представлена в табл. 4.

Таблица 4. Классификация теплоизоляционных материалов по гигрофизической эффективности

D, oC·сут.	Rred, м2 оС/Вт	KФ для материала	Материал по эффективности, в порядке убывания
		ВЭ	Э	высокоэффективный	не рекомендуемый к применению
2000	2,1	2,9	2,1	Плиты “URSA”; плиты по ГОСТ 10499; ПХВ-1; пенополиуретан; пенополистирол ГОСТ 15588; стиропор PS 20; «Пеноплэкс»	«Стайрофоам»; пеностекло; «Стиродур»
4000	2,8	3,9	2,8	Плиты “URSA”; плиты по ГОСТ 10499; ПХВ-1; пенополиуретан; пенополистирол ГОСТ 15588; стиропор PS 20	«Стайрофоам»; пеностекло; «Стиродур»; «Пеноплэкс»
6000	3,5	4,9	3,5	Плиты “URSA”; плиты по ГОСТ 10499; ПХВ-1; пенополиуретан; пенополистирол ГОСТ 15588	«Стайрофоам»; пеностекло; «Стиродур»; «Пеноплэкс»
8000	4,2	5,9	4,2	Плиты “URSA”; плиты по ГОСТ 10499; ПХВ-1; пенополиуретан; пенополистирол ГОСТ 15588	«Стайрофоам»; пеностекло; «Стиродур»; «Пеноплэкс»; стиропор PS 20
10000	4,9	6,9	4,9	Плиты “URSA”; плиты по ГОСТ 10499; ПХВ-1; пенополиуретан	«Стайрофоам»; пеностекло; «Стиродур»; «Пеноплэкс»; стиропор PS 20
12000	5,6	7,8	5,6	Плиты “URSA”; плиты по ГОСТ 10499; ПХВ-1; пенополиуретан	«Стайрофоам»; пеностекло; «Стиродур»; «Пеноплэкс»; стиропор PS 20

Примечание: ВЭ - высокоэффективный, Э - эффективный

Для легких бетонов критерий эффективности материала по коэффициенту гигрофизической эффективности сформулирован следующим образом:

- к высокоэффективным отнесены бетоны, обеспечивающие в многослойной ограждающей конструкции не менее 50% требуемого термического сопротивления, применение которых не приведет к нарушению п. 13.8 СП 23 - 101 - 2004

, (7)

- к эффективным отнесены бетоны, обеспечивающие в многослойной ограждающей конструкции не менее 30% требуемого термического сопротивления, применение которых не приведет к нарушению п. 13.8 СП 23 - 101 - 2004

. (8)

Классификация легких бетонов по гигрофизической эффективности с учетом климатических условий эксплуатации представлена в табл. 5.

Таблица 5. Классификация легких бетонов по гигрофизической эффективности

D, oC·сут.	Rred, м2 оС/Вт	KФ для бетона	Бетон по эффективности, в порядке убывания
		ВЭ*	Э	высокоэффективный	не рекомендуемый к применению
2000	2,1	2,1	1,3	Все бетоны, кроме ВВГ 1000
4000	2,8	2,8	1,7	КБ 800; 600; ПБ 600; 800; 1000; ВБ 600; ПСБ 500; ВТГ 600; 800; ВВГ 600; 800; ПСГ 600; 800
6000	3,5	3,5	2,2	КБ 800; 600; ПБ 600; 800; 1000; ВБ 600; ВТГ 600; 800; ВВГ 600; 800; ПСГ 600; 800	ВВГ 1000; ПСГ 1000;
8000	4,2	4,2	2,5	КБ 800; 600; ПБ 600; 800; 1000; ВБ 600; ВТГ 600; 800; ВВГ 600; 800; ПСГ 600;	ВВГ 1000; ПСГ 1000; ВБ 800; ПСБ 600; ВТГ 1000
10000	4,9	4,9	3,0	КБ 600; ПБ 600; 800; ВБ 600; ВТГ 600; 800; ВВГ 600; ПСГ 600;	ВВГ 1000; ПСГ 1000; ВБ 800; ПСБ 500; 600; ВТГ 1000; КБ 1000;
12000	5,6	5,6	3,4	КБ 600; ПБ 600; 800; ВБ 600; ВТГ 600; 800; ВВГ 600; ПСГ 600;	ВВГ 1000; ПСГ 1000; ВБ 800; ПСБ 500; 600; ВТГ 1000; КБ 1000;

Примечание: ВВГ - бетон на ВВГ (КБ - керамзитобетон, ПБ - перлитобетон, ВБ - вермикулитобетон, ПСБ - пенополистиролбетон, ВТГ - бетон на ВТГ, ПСГ - бетон на ПСГ); 1000 - марка бетона по средней плотности; ВЭ - высокоэффективный, Э - эффективный

В четвертой главе рассмотрены вопросы технологии и свойства стекловидных пористых заполнителей - вспученного туфоаргиллитового гравия (ВТГ), пеностеклогрануллятов (ПСГ), вспученного витрозитового гравия (ВВГ) и легких бетонов на их основе. Технология производства перечисленных заполнителей имеет свои особенности для каждого вида, но, в общем, суть ее заключается в расплавлении исходного минерального сырья, вспучивании расплава и быстром охлаждении в течение 30 - 60 мин. Структура СГ представляет собой систему, состоящую из ячеек преимущественно округлой формы. Поры разделены тонкими перегородками, состоящими из более легких замкнутых пор. Большое содержание стеклофазы и равномерное распределение мелких пор правильной формы обеспечивает СГ повышенную прочность и пониженную теплопроводность. Основные свойства заполнителей представлены в табл. 6.

Таблица 6. Основные свойства стекловидных пористых заполнителей

Основные свойства	Заполнитель
	ПСГ	ВВГ	ВТГ
Насыпная плотность, кг/м3	170 - 300	350 - 450	300 - 450
Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа	0,3 - 1,7	1,4 - 2,4	1,2 - 2,8
Плотность истинная, кг/м3	2,34	2,35	2,34 - 2,56
Водопоглощение, % по массе	60 - 19	12 - 16,5	8 - 14
Коэффициент размягчения	0,87 - 0,89	0,78 - 0,84	0,8
Межзерновая пустотность, %	37 - 39	37 - 40	39 - 48
Морозостойкость, не менее циклов	15	15	50
Коэффициент формы	1	1,6 - 2	1,4 - 1,8
Стойкость ПСГ против силикатного и железистого распада, потери %	В пределах требований ГОСТ 9757 - 86
Содержание стеклофазы, %	97,4 - 97,6	91,6 - 95,5	95.1 - 97,8
Гидравлическая активность, г/л	9,4 - 9,6	13 - 14,8	-

В табл. 7 приведен химический состав стекловидных заполнителей, в табл.8 - характеристика пористости, а в табл. 9 - краткая информация об особенностях технологии их производства.

Таблица 7. Химический состав стекловидных заполнителей

Заполнители	п.п.п.	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O
ПСГ	< 2	71,2	11,57	1,55	2,46	/,73	0,14	7,7	1,85
ВВГ	0,39-0,64	71,03-73,58	8,3-10	1,63-1,67	3,29-3,54	4,89-4,93	0,25-0,42	4,4-4,6	2,57-2,63
ВТГ	0,21	63,73	19,31	9,2	3,92	1,77	0,15	0,14	1,6

Таблица 8. Характеристика пористости стекловидных заполнителей

Элемент структуры	Пористость заполнителей
	ПСГ	ВВГ	ВТГ
	размер, мм	доля, %	размер, мм	доля, %	размер, мм	доля, %
Поры	0,08 - 0,15 0,15 - 0,35 0,4 - 0,65	25 - 30 45 - 50 20 - 25	0,08 - 0,25 0,25 - 0,75 0,75 - 1	35 - 55 10 - 15 20 - 30	0,08 - 0,18 0,18 - 0,35 0,35 - 0,65	15 - 20 45 - 50 20 - 30

Таблица 9. Основные данные о технологии производства стекловидных заполнителей

Этапы и показатели	Заполнитель
	ПСГ	ВВГ	ВТГ
Подготовка сырья: дробление сушка помол	До 3000 см2/г	До 3000 см2/г	До 60 мм 300 - 500оС
Шихта	ГП (перлит) 80 - 82%; NaOH 5,2 - 7,4% прочие до 0,3% вода до 12%	ГП (витротуф, липарит, перлит) 90 - 92% NaOH до 4% прочие до 1,7% вода - остальное	ГП (туфоаргиллит) 40% + плав 55% стеклобой до 5% сода до 0,5% ЛСТ до 0,2 %
Сушка шихты	До 200оС	-	Плавление 55% сырья 1500оС
Помол шихты	3500 - 5000 см2/г	Обработка в бегунах и вальцах	-
Грануляция	+	+	Гран-бассейн
Сушка гранул	До 100оС	1-й этап: 50 - 70оС 2-й этап: 150 - 180оС	До 100оС
Обжиг	800 - 900оС	970 - 990оС	1050 - 1100оС
Расход энергии на обжиг (керамзит = 100%)	70	67	118

Примечание: ГП - горная порода

Установлено, что закономерности водопотребности бетонных смесей на стекловидных заполнителях в принципе не отличаются от известных закономерностей формирования водопотребности керамзитобетонных смесей. Отмечена тенденция к снижению водопотребности примерно на 10 л/м³ для ПСГ и ВВГ и до 15 л/м³ для ВТГ, что согласуется с данными о более низкой величине водопоглощения стекловидных заполнителей в сравнении с керамзитом. С увеличением содержания пористого песка и расхода цемента повышается водопотребность смеси. Это повышение может достигать 25 л/м³ для ПСГ и 50 л/м³ для ВВГ. Воздухововлечение, повышая удобоукладываемость бетонной смеси, позволяет снизить ее водопотребность до 10 л/м³. Пластификация, в зависимости от дозировки добавки, позволяет снизить водопотребность смеси до 35 л/м³.

Средняя плотность бетона в сухом состоянии описывается полученной в работе зависимостью

, (9)

а предел прочности при сжатии - зависимостью (рис. 3)

, (10)

где k = 0,05, Ц₀ изменяется для разных заполнителей от 30 до 120, т.е. изменение предела прочности бетонов при одинаковом расходе цемента может доходить до 4,5 МПа.

Рис. 3. Зависимость предела прочности при сжатии от расхода цемента: ПСГ, ВТГ-П, ВТГ, ВВГ - соответственно бетон на ПСГ, поризованный бетон на ВТГ, бетон на ВТГ, бетон на ВВГ;

Т - по формуле ;

Т-2 - по формуле

Поскольку, помимо расхода цемента на прочность легкого бетона влияет прочность заполнителей, для учета влияния предела прочности заполнителей на предел прочности бетона в работе предложена зависимость предела прочности бетона от прочности растворной составляющей и заполнителя

, (11)

и, поскольку стекловидные заполнители обладают при равной средней плотности более высокой прочностью в сравнении с традиционными заполнителями, сделан вывод о возможном повышении прочности легкого бетона на стекловидных пористых заполнителях относительно «равносоставного» керамзитобетона до 10%, что соответствует снижению расхода цемента до 10% в равнопрочных бетонах.

Изучено влияние очередности загрузки компонентов в бетоносмеситель на значение предела прочности при сжатии и установлено, что последовательность загрузки «крупный заполнитель + цемент + 2/3 воды затворения + пластификатор + мелкий заполнитель + 1/3 воды затворения + воздухововлекающая добавка» легко реализуется в производственных условиях, при этом повышение предела прочности составило 10 - 15%. Эту схему загрузки компонентов и следует считать целесообразной для приготовления легкобетонных смесей на стекловидных заполнителях.

Исследование влияния режима и способа ТВО на формирование предела прочности бетонов при сжатии показало, что рост прочности в зависимости от «степени зрелости» бетона (количество градусо•часов в камере ТВО) при температуре изотермы 100^оС линеен для бетона В 3,5 и имеет перегиб для бетонов более высоких классов в точке, соответствующей продолжительности изотермы 5 ч. В данном случае высокое содержание активного кремнезема и глинозема в дробленом песке способствуют проявлению гидравлической активности по отношению к гидроксиду кальция. При этом для бетона класса В 3,5 чем выше температура изотермической выдержки при ТВО, тем выше его прочность и меньше влажность. Для бетонов более высоких классов ситуация несколько меняется в связи с тем, что деструктивные процессы, вызванные длительным воздействием высокой температуры и обезвоживанием, начинают превалировать над конструктивными процессами, обусловленными гидравлической активностью песка. Кроме того, у бетонов более высоких классов процессы формирования структуры протекают более интенсивно в связи с более низким значением В/Ц и более высокой теплопроводностью твердеющего бетона. Повышение температуры изотермы среды при более коротком времени изотермического выдерживания, несмотря на более высокую «степень зрелости», не обеспечивает такого же уровня влажности и прочности, какой достигается при более низкой температуре изотермы, но при более длительном выдерживании. Это обусловлено тем, что «степень зрелости» не отображает реальное количество тепла, полученное непосредственно бетоном, поскольку прогрев бетона в условиях высокотемпературного воздействия среды с низкой влажностью требует достаточно длительного времени, причем желательно, чтобы температура бетона не очень существенно отставала от температуры среды. Целесообразная продолжительность изотермического прогрева определяется временем, необходимым для достижения бетоном в центре изделий температуры порядка 80⁰ С. Поэтому в промышленных условиях при изготовлении стеновых панелей следует увеличить продолжительность изотермического прогрева до 8 - 10 ч при температуре изотермы до 100⁰ С. В этом случае достигается и необходимая отпускная влажность бетона. Анализируя совместно изменение влажности и прочности бетона, можно сделать вывод о том, что при рациональном режиме ТВО бетонов классов В 5,0 - В 7,5 продолжительность изотермы будет определяться временем достижения требуемой влажности, а не прочности. Общеизвестное положение о том, что применение «жестких» режимов, с сокращенным временем предварительного выдерживания, и, особенно, с сокращенным временем подъема температуры, резко ухудшает свойства бетона в связи с интенсивным развитием деструктивных процессов, обусловленных интенсивным расширением газовой фазы в структуре фактически свежеуложенного бетона, не обладающей достаточной прочностью для восприятия возникающих при этом растягивающих напряжений, полностью подтвердилось и для бетонов на стекловидных заполнителях.

В пятой главе рассмотрены конструкционные свойства легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях. Показано, что для описания зависимости предела прочности при сжатии целесообразно использовать известную в физике твердого тела зависимость «прочность - пористость» (например, формула Бальшина), которая для бетонов на стекловидных заполнителях трансформирована в зависимости, представленные в табл.10.

Таблица 10. Зависимости предела прочности бетонов от средней плотности

Коэффициент	Бетон на
	ПСГ	ВВГ	ВТГ
Формула
Показатель корреляции R2	0,922	0,683	0,865

с - средняя плотность бетона, кг/м³.

Представленные на рис. 4 данные свидетельствуют о том, что среднестатистическая зависимость «прочность - плотность (пористость)» является практически идентичной для бетонов на ВТГ и на ПСГ.

Эти бетоны характеризуются наилучшими показателями «прочность - плотность» (показатель ) и превосходят, в частности, керамзитобетон, особенно в области низких (до 700 кг/м³) и более высоких (свыше 1000 кг/м³) значений средней плотности бетона. Это объясняется более высокой прочностью пористого заполнителя, которая более эффективно проявляется при низкопрочной матрице в области низких значений плотности и в области более высокой прочности матрицы (при высоких значениях плотности), где более низкая прочность заполнителя не позволяет получить высокую прочность бетона.



Рис. 4. Среднестатистические зависимости предела прочности при сжатии от средней плотности для различных бетонов: ВТГ - бетон на ВТГ; ПСГ - бетон на ПСГ; ВБ - бетон на ВВГ; АЯБ - автоклавный ячеистый бетон; ПСБ - полистиролбетон; керамзитобетон - по данным В.Г. Довжика

Такая закономерность изменения прочности бетона от прочности заполнителя была выявлена еще А.И. Вагановым. Наиболее целесообразными областями применения заполнителей являются: ВТГ и ПСГ - для производства конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов классов В 2,5 - В 10 при средней плотности 600 - 1000 кг/м³, ВВГ - для производства конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов плотностью 700 - 1000 кг/м³ классов В 2,5 - В 10. Кроме того, все указанные заполнители эффективны для получения бетонов более высоких классов при повышенной плотности.

Поризация растворной составляющей снижает предел прочности бетона при сжатии пропорционально объему вовлеченного воздуха (ВВ). Снижение прочности составляет 6 - 10% на один процент ВВ, в связи с чем при использовании поризации, например, для регулирования паропроницаемости, целесообразно ограничивать величину ВВ в пределах 8 - 10%.

Рост прочности легких бетонов во времени описывается известной зависимостью

, (12)

для которой в работе получены значения коэффициента k: 0,42 для бетонов классов В 2,5 - В 5,0, и 0,3 - 0,32 для бетонов классов В 7,5 - В 12,5.

Предел призменной прочности легких бетонов на стекловидных заполнителях с высокой степенью корреляции (R² = 0,95) описывается функцией

(13)

где = 0,952; b = 0,434,

в связи с этим, при проектировании конструкций из легких бетонов на стекловидных заполнителях, можно использовать нормативную базу для назначения нормативных и расчетных сопротивлений бетона R_bn, R_b, принятую для керамзитобетона.

Начальный модуль упругости легких бетонов на стекловидных заполнителях может быть определен по уточненным автором для легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях зависимостям:

Несветаева Г.В.

, ГПа, (14)

, МПа, (15)

где с - средняя плотность бетона, т/м³.

В табл. 11 приведены предложения по нормированию начального модуля упругости легких бетонов на стекловидных заполнителях для инженерной практики.

Таблица 11. Значения модуля упругости легких бетонов классов В 3,5 - В 7,5 на стекловидных заполнителях

Марка бетона по средней плотности	Начальный модуль упругости, МПа, для бетона класса
	B 3,5	B 5,0	B 7,5
D 600	5200	-	-
D 800	5900	6400	-
D 900	-	6900	-
D 1000	-	-	7900

Установлено, что относительная деформация, соответствующая пределу кратковременной прочности («предельная» сжимаемость) легких бетонов на стекловидных заполнителях описывается известной функцией, общей для легких бетонов

. (16)

Бетоны на стекловидных заполнителях по показателю «предельной» сжимаемости в принципе соответствуют известным среднестатистическим данным для бетонов на легких пористых заполнителях.

Предел прочности...