В середине прошлого столетия востребованными стеновыми материалами были кирпич и легкий бетон; ячеистый бетон только робко “выглядывал” из стен лабораторий. Толщина кирпичной стены была чаще всего 64 см; использование легкого бетона снизило её до 40–50 см, и это было большим достижением, сразу уменьшившим и материалоемкость, и трудоемкость, и энергоемкость строительной промышленности.
Из этого бетона стали делать крупные блоки и стеновые панели размером “на комнату”: информация о крупнопанельных московских Черемушках гремела на всю страну. Там же, где не было легкого бетона, пытались делать кирпичные панели.
Тот строительный бум, основу которого составили крупнопанельные пятиэтажки (ругаемые ныне “хрущевки”) был большим благом для народа. И он не приобрел бы таких масштабов, если бы не отечественные разработки в области бетонов, в первую очередь, крупного ученого Н.А. Попова.
Легкий бетон стал возможным благодаря применению пористых заполнителей, например, керамзита — обожженных глиняных шариков, а также других подобных материалов: термозит, шунгизит и др. Их смешивали с обычным строительным раствором и формовали панели. Все было бы хорошо, но тут стал появляться новые марки бетона - более эффективные материалы — конструкционно-теплоизоляционные ячеистые бетоны, который позволил еще снизить толщину стены до 28–35 см.
Реакция была незамедлительной: появился легкий бетон с поризованным цементным камнем, достаточно легкий и сравнительно “теплый”. Поризовали его так же, как и ячеистый бетон — либо пеной, либо газообразователями. Но при этом не могла не возникнуть проблема: действительно ли это легкий бетон, а не ячеистый бетон с пористым заполнителем, — которая потянула за собой целую вереницу вопросов. А так ли нужен ячеистому бетону пористый заполнитель? А если нужен, то любой ли? А если не любой, то каким требованиям он должен отвечать? А сколько нужно вводить этого “не любого” заполнителя?...
Теоретически возможна ситуация, когда и по прочности, и по теплопроводности зерна заполнителя идентичны окружающему их ячеистому бетону; при этом и несущая способность, и термическое сопротивление строительного элемента, выполненного из такого материала, не должны зависеть ни от количества введенного заполнителя, ни от взаиморасположения его зерен. Назовем такой заполнитель адекватным. Единственным фактором, определяющим степень целесообразности введения такого заполнителя, будет экономика.
Межзерновая пустотность сферического монофракционного заполнителя в долях объема составляет около 0,5. Следовательно, один кубометр легкого бетона с поризованным цементным камнем содержит в себе не менее половины кубометра ячеистого бетона и кубометр заполнителя. Значит, выполнение критерия экономичности требует, чтобы коммерческая стоимость кубометра заполнителя (франко-потребитель) была вдвое ниже себестоимости ячеистого бетона. Это первое (настораживающее) условие целесообразности введения в ячеистый бетон пористого заполнителя.
К этому нужно добавить дополнительные расходы на складирование, на внутренний транспорт, на контроль качества, на дозирование, на приобретение, монтаж и обслуживание дополнительного оборудования. Каждый из ингредиентов бетона и каждая новая единица оборудования могут оказаться источником непредвиденных ошибок, поломок и потерь.
Отдельно нужно сказать об очень важной в современных условиях статье расходов — это энергозатраты. Известно, что для ускорения твердения и, следовательно, для повышения экономичности, изделия из легкого бетона подвергают гидротермальной обработке — пропариванию. При этом энергия расходуется не на химические процессы гидратации цемента (они идут с выделением тепла), а только на повышение температуры материала с учетом его теплоемкости, поэтому линия по производству пенобетона минимальна энергоемка. При этом энергозатраты практически не зависят от наличия или отсутствия в бетоне пористого заполнителя. Но ведь заполнитель уже однажды получил свою (и весьма существенную) порцию энергии при его изготовлении (при обжиге), а тут, в составе бетона, он нагревается вторично.
При теоретическом рассмотрении возможного адекватного заполнителя предполагалось, что все его зерна абсолютно одинаковы, что и по прочности, и по теплопроводности каждое зерно идентично окружающему его бетону. Но на практике этого никогда не бывает. Если даже средние показатели зерен в данной партии идеально совпала с характеристиками бетона, то среди отдельных зерен попадутся и менее прочные, и более “холодные”. Да и средние показатели меняются от партии к партии. Следовательно, при введении в ячеистый бетон реального пористого заполнителя, непременно пострадают одновременно его и прочностные, и теплозащитные свойства.
Если в среднем зерна заполнителя окажутся “холоднее” ячеистого бетона, то для восстановления проектного термического сопротивления изделий потребуется одно из двух: или увеличить толщину изделия, или снизить плотность ячеистого бетона. В первом случае возрастет расход материальных, трудовых и энергетических ресурсов на добычу, доставку, складирование и переработку сырья, потребуется полная замена парка форм, а возможно и кранов, расширение пропарочных камер, при этом снизится производительность завода (в пересчете на квадратные метры ограждения), увеличатся затраты на транспортирование и монтаж готовой продукции, возрастет площадь застройки и приобъектных складов.
Во втором случае снизится прочность бетона, потребуется, в лучшем случае, увеличение расхода цемента или интесификация режимов тепловой обработки, а если это не поможет, то надо либо закрывать завод, либо отказываться от введения пористого заполнителя. Такой же финал ожидается и тогда, когда, в среднем, зерна заполнителя окажутся “теплыми” но не достаточно прочными.
Представляет интерес вопрос, возможны ли в принципе условия, при которых только по условиям прочности и теплопроводности (т.е. не взирая на экономику) целесообразно введение в ячеистый бетон пористого заполнителя.
В настоящее время, практически на всех крупных ячеисто-бетонных заводах, плотность выпускаемых конструкционно-теплоизоляционных изделий составляет 600 кг/м3 при прочности 3,5 МПа (такие показатели получены и на неавтоклавном бетоне) - это типичная технология производства пенобетона и других ячеистых бетонов. Если найдется пористый заполнитель с насыпной плотностью не более 300 кг/м3, обеспечивающий достижение прочности бетона не ниже указанной, то возможность применения его не исключается.
Некоторую информацию по данному вопросу дает государственный нормативный документ — СНиП II–3–79**, согласно которому, минимальная плотность легкого бетона на пористом заполнителе (керамзите) с поризованным цементным камнем (без указания прочности бетона) составляет 500 кг/м3 (следует заметить, что, согласно тому же документу, минимальная плотность ячеистого бетона равна 300 кг/м3).
Если допустить, что межзерновая пустотность заполнителя действительно равна 0,5 объема и заполнена ячеистым бетоном плотностью 600 кг/м3 (который обеспечивает получение нужной прочности), то насыпная плотность заполнителя действительно должна быть не выше 300 кг/м3. Материал с такой низкой плотностью хоть и встречается в рассматриваемом документе, но только в разделе теплоизоляционных засыпок, а не заполнителей для бетона.
Похоже, по сегодняшним меркам, легкий бетон не достаточно легок, Похоже, его звездный час, как стенового материала, либо прошел, либо еще не наступил. “Неисповедимы пути науки”!
Есть надежда на возрождение былой славы легкого бетона. Дело в том, что теоретически возможна ситуация, когда пористый заполнитель, имеющий очень малый вес и практически нулевую прочность, может обеспечить возможность получения не только высоких теплозащитных характеристик изделия, но и достаточной несущей способности. Чем выше пористость зерна заполнителя, тем ниже его прочность. Это непоколебимый факт. Но при этом увеличивается и другое его свойство — водопоглощение. Для строительных материалов это свойство не воспринимается как положительное, однако, в данном случае оно может спасти репутацию легкого бетона.
Пористое зерно заполнителя отсасывает воду из окружающего его ячеистого бетона, в результате бетон уплотняется, вокруг зерна образуется упрочненный слой с вариатропной макроструктурой, который способен воспринимать повышенные механические нагрузки.
В случае обычного, сравнительно тяжелого, зерна керамзита этот эффект мало заметен. Однако очень пористое зерно с повышенными гилрофильными свойствами может создать оболочку более прочную, чем само зерно. При этом будет обеспечена и требуемая несущая способность, и необходимая теплозащита.
Х. Фархад, д. т. н., засл. изобр. РСФСР;
С. А. Самардак