Свойства автоклавных ячеистых бетонов. 1 часть

Газосиликат (ГС) представляет собой ячеистый теплоизоляционный материал, получаемый из смеси извести с молотым кварцевым песком путем вспучивания предварительно приготовленного песчаного шлама с помощью газообразователей и последующего твердения в условиях автоклавной обработки или пропаривания. По структуре газобетон относится к группе ячеистых бетонов, названных так из-за наличия в искусственном камне этого вида равномерно распределенных сферических пор (рис. 1.).

Газобетон имеет закрытые и открытые поры. Микроструктуру определяют закрытые поры, разделенные межпоровыми перегородками. Качество этих перегородок влияет на прочность материала, а количество пор, их форма и размер – на плотность и теплопроводность изделий. Средний вещественный состав газосиликата представлен на рис. 2..

Макропоры диаметром более 100 мкм образуются в процессе вспучивания ячеистобетонного раствора. Микропоры расположены в твердых перегородках; как правило, их размер менее 1 мкм.

В соответствии с ГОСТ 31360-2007 для стеновых изделий определяют следующие физико-механические и теплофизические характеристики:

Ячеистые бетоны могут иметь следующие марки по средней плотности (ГОСТ 31359-2007, ГОСТ 31360-2007): D200; D250; D300; D350; D400; D450; D500; D600; D700; D800; D900; D1000; D1100; D1200. Среднюю плотность устанавливают по ГОСТ 12730.1. Ее величина влияет на возможности использования бетона (табл. 1.).

В Европе широко применяют газобетон с плотностью 500 кг/м 3 (D500). Стандартный блок из ячеистого бетона марки D500 размерами 600х250х400 мм имеет массу до 30 кг и может заменить в ограждающей стене толщиной 400 мм 30 кирпичей, масса которых составляет 180 кг. Теплоизоляционно-конструкционный ЯБ имеет пористость 50-60 %. Завод AEROC (Санкт-Петербург) освоил выпуск газобетона с плотностью 300 кг/м 3 в конце 2008 г. и в марте 2009-го сертифицировал продукцию с характеристиками D300 В1,5 F50. Блоки EcoTerm Plus (D300) прошли апробацию как на высотных объектах в стенах с поэтажным опиранием на железобетонные перекрытия, так и в малоэтажном строительстве как однослойные несущие стены. Пористость ячеистого бетона сравнительно легко регулировать в процессе изготовления и получать бетоны разной плотности и назначения. Объемная масса характеризует пористость ячеистого бетона: увеличивая пористость с 60 до 83 %, можно снизить объемную массу с 1000 до 400 кг/м 3. Возрастание объемной массы ЯБ с 300 до 1200 кг/м 3 сопровождается закономерным увеличением его прочности и теплопроводности (рис. 3.).

На свойства ЯБ оказывает влияние количественное соотношение микро- и макропор (рис. 4.). Повышенной прочностью и пониженной теплопроводностью характеризуется ЯБ, в котором имеется большое количество микропор. Однако высокую морозостойкость имеет ЯБ с замкнутыми (резервными) макропорами.

Известен вариатропный ячеистый бетон – материал переменной плотности, получаемый путем уплотнения поверхностных зон механическими, химическими или физическими (ультразвуковыми, электромагнитными, температурными и т.п.) воздействиями для повышения его прочностных, атмосферозащищенных и теплоизолирующих свойств.

При низкой объемной массе (например 500 кг/м 3 ) газобетон имеет за счет автоклавной обработки достаточно высокую прочность на сжатие – 2,8-4 МПа. Это позволяет при малоэтажном строительстве отказаться от каркаса и, более того, перекрывать стены обычными железобетонными (пустотными) плитами. Несущая способность кладки из блоков достаточна (требует проверки расчетом) для возведения зданий высотой 3-5 этажей. В отличие от кирпича, прочность которого оценивают маркой, для бетонов используют такую величину, как класс прочности. Ячеистые бетоны могут иметь следующие классы по прочности на сжатие (ГОСТ 31359-2007, ГОСТ 31360-2007): В1,5; В2,0; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В17,5; В20. Прочность ЯБ на сжатие определяют по ГОСТ 10180. Прочность автоклавного газобетона обусловлена образованием гидросиликатов кальция с включенными в него воздушными пузырьками в процессе автоклавирования.

Благодаря хорошим механическим свойствам, автоклавный газобетон часто предпочитают для застройки сейсмически активных зон. Так, в Японии и Мексике при возведении зданий и сооружений повышенной сейсмостойкости используют армированные ЯБ панели. При выполнении ЯБ кладки необходимо учитывать ее относительно низкую прочность на изгиб. Если дерево способно выдержать значительные подвижки основы, то каменная, и в частности ЯБ кладка, имеет предельную деформативность в пределах 0,5-2 мм/м. Большие деформации основания кладки могут привести к ее растрескиванию. Поэтому при возведении здания из ЯБ необходимо предусматривать мероприятия, предотвращающие трещинообразование: устраивать сплошной фундамент, кольцевые обвязки в уровнях перекрытий и под стропильной системой; армировать кладку и т.п.

Удельная теплоемкость ЯБ в сухом состоянии составляет 0,84 кДж/(кг∙К). При влажности 4-5% теплоемкость равна 1-1,1 кДж/(кг∙К). Для изделий, предназначенных для применения в наружных ограждающих конструкциях зданий и сооружений с нормируемыми параметрами внутреннего микроклимата, коэффициент теплопроводности ячеистого бетона изделий в сухом состоянии не должен превышать значений, установленных в табл. 2. (ГОСТ 31359-2007).

Примечание. Фактическое значение коэффициента теплопроводности ячеистого бетона в сухом состоянии не должно превышать приведенные значения более чем на 10 %.

Теплопроводность ячеистых бетонов определяют по ГОСТ 7076. Физические характеристики газобетона по стандарту DIN EN (ЕС) приведены в табл. 3..

С ростом плотности ЯБ теплопроводность существенно увеличивается (рис. 5.).

Теплопроводность газобетона (в отличие от эффективного керамического кирпича) во всех направлениях одинаковая (рис. 6.).

а)

б)

С точки зрения теплозащиты, стены должны обеспечить, во-первых, достаточный тепловой комфорт, во-вторых, снижение расхода энергии на отопление. По европейским стандартам такой комфорт достигается, если даже в сильный мороз перепад температур между внутренней поверхностью наружной стены и внутренним воздухом не более 4°С. Для большинства районов Северо Западного и Центрального регионов это требование обеспечивается при сопротивлении стены теплопередаче равном 1,3-1,5 (м 2 ∙К)/Вт. Таким сопротивлением теплопередаче обладает стена из деревянного бруса толщиной 150-200 мм, или кладка из газобетонных блоков толщиной 150-200 мм (при плотности 400-500 кг/м 3 ) (рис. 3.7), или 380 мм эффективного керамического кирпича.

Однослойная стена из ячеистобетонных блоков марок D400-500 при толщине в 400 мм имеет сопротивление теплопередаче 2,7-3,5 м 2 ∙К/Вт и укладывается в норму. Высокую теплоизоляцию обеспечивает наличие в бетоне заполненных воздухом пустот-ячеек размером 1-3 мм (рис. 8.).

Аккумулирование тепла газобетоном относительно невелико по сравнению с другими материалами (рис. 9.), однако для ГБ характерно высокое отношение времени остывания конструкции к накопленному теплу, что позволяет значительно сэкономить на отоплении.

Вопросы звукоизоляции особенно актуальны для стен, разделяющих смежные квартиры. Межквартирные стены должны иметь плотность не менее 400 кг/м 3 или не быть однослойными. Благодаря структуре с открытыми порами, блоки из АЯБ являются эффективным звукопоглощающим материалом. По результатам испытаний стена из блока марки D500 толщиной 200 мм, оштукатуренная с двух сторон, имеет звукоизоляцию 55 Дб, что соответствует современным требованиям для межквартирных стен. В табл. 3.4 приведены индексы изоляции воздушного шума, достижимые при устройстве однослойных газобетонных стен из блоков со шпаклевкой поверхности.

Автоклавный газобетон обеспечивает очень высокий уровень пожарной безопасности и отвечает самым высоким требованиям к мерам противопожарной защиты. Благодаря своему полностью минеральному составу автоклавный газобетон в соответствии с ГОСТ 30244 – негорючий строительный материал. Данные изделия имеют более высокий предел огнестойкости, чем обычные плотные бетоны, благодаря большой пористости и низкой теплопроводности. При повышении температуры прочностные характеристики материала увеличиваются в 2-3 раза. Газобетон выдерживает одностороннее воздействие огня в течение 3-7 ч. В табл. 3.5 приведена огнестойкость ГБ стен по немецкому стандарту DIN 4102-4.

Пределы огнестойкости конструкций из газобетона характеризуют его как материал, из которого можно возводить противопожарные стены в виде преград 1-го класса – противопожарных стен в зданиях любой огнестойкости, а также несущих стен широкого класса зданий. Противопожарная стена должна выдерживать огонь в течение 4 ч. Тесты показали, что газобетонная стена толщиной всего 150 мм может противостоять огню как минимум 6 ч. Рис. 3.10 иллюстрирует сравнительную огнестойкость стен, выполненных из обычного (а) и пористого бетона (б). Через 6 ч воздействия огня температура по другую сторону стены в первом случае повышается до 270 °C, а во втором – лишь до 68 °C.

В реальной ситуации пожара газобетонные стены сохранялись невредимыми в течение 120 ч. После пожаров в домах, построенных из газобетона, стены остаются неповрежденными. Газобетонные дымоходы прокладывают сквозь деревянные конструкции без разделения, поскольку они плохо проводят тепло. Так, при температуре отходящих газов до 1000 °С и толщине стенки дымохода 100 мм температура на внешней поверхности стенки не превышает 60 °С. Негорючесть газобетона дает возможность не учитывать столь опасный фактор, как токсичность выделяемых при сгорании веществ, так как ГБ не образует дыма и токсичных газов, которые представляют не меньшую опасность для жизни человека, чем сам огонь. Точно также к этому материалу неприложимы такие критерии, как скорость распространения пламени или дымообразующая способность, поскольку этот материал даже при высоких температурах ведет себя нейтрально: не поддерживает горение и не выделяет опасных для здоровья веществ. Температуростойкость ячеистых бетонов невысока. Предельная температура применения изделий принята равной ~ 400 °C. Скорость нагревания отражается на прочности изделий: быстрый нагрев способствует более раннему появлению трещиноватости по сравнению с медленным нагреванием до той же температуры.

Морозостойкость характеризуют маркой, то есть числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, после которых прочность ЯБ на сжатие снижается не более чем на 15 %, а потеря массы составляет не более 5 %. Газобетон морозостоек, что связано с наличием резервных пор, в которые вытесняется при замерзании лед и вода. Доля таких пор в ЯБ составляет около 10 % от общего объема пор, заполненных водой, что является достаточным для расширения воды при превращении ее в лед. Сам материал при этом не разрушается. Считают, что при соблюдении технологии строительства морозостойкость материала превышает 200 циклов. По ГОСТ 31360-2007 марку бетона изделий по морозостойкости назначают в зависимости от условий эксплуатации конструкции и расчетных зимних температур наружного воздуха в районе строительства в соответствии с нормами строительного проектирования и принимают не ниже: F25 – для изделий, предназначенных для использования в наружных стенах; F15 – для остальных изделий.

Газобетон – пористый материал, поэтому в доме, построенном из этого материала, создается микроклимат, который очень близок к климату деревянного дома. В отличие от сооружений из обычного бетона или кирпича, дом из ячеистого бетона аэропроницаем, этот материал "дышит". "Дышащая" стена обеспечивает проход пара и газов из помещения через стену без ее увлажнения, а также поступление свежего атмосферного воздуха в помещение. Диффузионную способность характеризуют коэффициентом паропроницаемости, который определяет количество водяного пара, которое проходит через 1 м толщины материала площадью 1 м 2 за 1 ч при разности давлений в 1 Па. Коэффициенты паропроницаемости ЯБ приведены в табл. 3.2 (ГОСТ 31359-2007). Данную характеристику определяют по ГОСТ 25898. У газобетонов наиболее распространенных марок этот показатель, мг/(м∙ч∙Па), составляет 0,20-0,23; для сравнения: у дерева и кирпича – 0,32 и 0,05-0,1 соответственно.

Известна градация комфортного проживания человека в домах со стенами из различных материалов, предложенная зарубежными исследователями и доложенная на международном симпозиуме по автоклавным строительным материалам в Ганновере более 20 лет тому назад. Первое место по комфортности, согласно этой градации, занимают дома со стенами из дерева, третье-четвертое - дома со стенами из ячеистого бетона, шестое-десятое место – стены из силикатного и керамического кирпича, а стены из керамзитобетона и обычного железобетона занимают последние места. Промежуточные места занимают стены со смешанными стеновыми материалами и изделиями.