Пенобетон получил в мире признание как энергоэффективный строительный материал. Анализ современных технологий производства показывает, что благодаря своим техническим свойствам пенобетон не имеет ограничений к применению по климатическим зонам, пожаробезопасен, экологически дружественен живым организмам, низко материалоемок.

Сырьем для производства пенобетонов неавтоклавного твердения являются портландцемент, песок, пенообразователь и вода. Для получения высокопрочного пенобетона необходима такая его рецептура, которая позволяет в период фазовых переходов обеспечивать агрегативную устойчивость    смесей. При этом важно понимать, что все массообменные процессы в пенобетонных смесях происходят при непосредственном участии цемента и именно новообразования цементного камня обеспечивают прочностные и стойкостные свойства пенобетонов.  

Взаимосвязь физических и химических явлений в ходе отвердевания цементосодержащих дисперсных систем указывает направление, в котором должен двигаться специалист для достижения поставленной цели. При взаимодействии цемента с водой, в результате адсорбционного и химического диспергирования, зёрна вяжущего распадаются на отдельные части, покрываются диполями воды и образуют гидратирующиеся частицы исходных материалов [1]. Скорость диспергации предопределяется растворимостью алюминатных и ферроалюминатных соединений и расклинивающим действием воды, проникающей в микротрещины частиц цемента при его увлажнении [2]. В течение первого часа взаимодействия трехкальциевого алюмината (С₃А) с водой его удельная поверхность увеличивается с 3000 до 250000 см²/г, то есть, примерно в 80 раз [1]. Остальные клинкерные минералы диспергируют медленнее [2]. Вода на поверхности частиц твердой фазы характеризуется плотностью 1,2 г/см³ [3].  Рост удельной поверхности твердой фазы, обусловленный диспергацией частиц цемента, уменьшает объём межзерновой воды и  таким образом, образуется цементный клей. Двух-  и трёхкальциевые силикаты долгое время не способны диспергироваться полностью, и внутри каждого зерна цемента навсегда остаётся негидратированное ядро. Известно, что гели кремневых кислот и продукты гидратации силикатов кальция не тиксотропны, и проявляют свойства упруго-хрупких тел.  Гели же алюминатов и алюмоферритов кальция  характеризуются явно выраженной тиксотропией и проявляют свойства упруго-вязко-пластичных тел, что весьма важно в технологии пенобетонов.

Рассмотрим состав и структуру пенобетонной смеси. Такая смесь состоит из пузырьков воздуха, находящихся внутри водных плёнок поверхностно активных веществ (ПАВ). Плёнки ПАВ, в свою очередь, расположены внутри цементно-песчаной суспензии, которая после протекания процессов гидратации и отвердевания цементного вяжущего превращается в пенобетон. Агрегативная устойчивость структуры пенобетонной смеси предопределяется соответствием упругости плёнок ПАВ  вязко-пластическим свойствам цементно-песчаной суспензии. Упругость плёнок ПАВ (γ) определяют по уравнению [4]:

γ = 2σ  ,

где σ - поверхностное натяжение раствора ПАВ на границе раздела фаз.

Поверхностное натяжение зависит от концентрации ПАВ в растворе     [4]. Рост концентрации ПАВ ведет к уменьшению "γ" (рис.1). Критической  концентрации мицеллообразования (ККМ) соответствует точка перегиба на кривых поверхностного натяжения   водных растворов пенообразователей. Введение в бетонные смеси избыточного количества пенообразователя позволяет получать высокопористые, но неустойчивые во времени структуры. То есть, в таких смесях ККМ достигается раньше, чем кристаллические новообразования цементного камня окажутся способными зафиксировать структуру, сформированную ПАВ при перемешивании.

Рис. 1. Зависимость упругости  пленок  (γ) от концентрации раствора ПАВ  при наличии мицеллообразования (с_1m – критическая концентрация) [4]

Ещё в середине прошлого века Зайцевой Н.Г. и Смирновой А.М. было установлено [1], что в цементе наибольшей интенсивностью диспергирования характеризуется трёхкальциевый алюминат (С₃А). В течение первого часа гидратации удельная поверхность С₃А возрастает примерно в 80 раз. При низком содержании алюминатов  процесс диспергации минерала, обуславливающий связывание воды незначительно влияет на равновесие, сложившееся между компонентами смеси при перемешивании. В ходе гидратации  цемента количество межчастичной свободной воды в пенобетонной смеси  закономерно уменьшается. ПАВ химически не взаимодействуют с компонентами бетонной смеси, поэтому снижение водосодержания объективно приводит к  повышению концентрации ПАВ в межчастичной воде и, как следствие, снижению упругости пленок. Динамичное уменьшение объёма межчастичной влаги в отвердевающей пенобетонной смеси обуславливает структурно опасное повышение концентрации ПАВ. Скачкообразное понижение упругости плёнок (рис.1), имеющее место при достижении ККМ, создает предпосылки для расслоения пенобетонных смесей. Отсюда следует, что скорости адсорбционной и химической диспергации зерен цемента  оказывают весьма важное влияние на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей.

Описанный выше процесс в пенобетонных смесях идёт параллельно с процессом роста кристаллических новообразований цементного камня, которые обеспечивают фиксацию структуры в пространстве. При содержании С₃А более 6% по массе скорость обезвоживания плёнок раствора ПАВ приведёт к такому понижению их упругости, что это  будет сопровождаться  укрупнением среднего радиуса пор и окажется утраченным энергетическое равновесие, сформированное при перемешивании.  Перестройка ячеистой структуры в течение первого часа после укладки пенобетонной смеси в форму обязательно приведёт к частичной или полной её осадке. Дальнейшее повышение содержания в цементе трёхкальциевого алюмината должно привести к тому, что смеси, после укладки их в форму, расслаиваться будут лавинообразно.

В связи с изложенным, можно утверждать, что диспергация трёхкальциевого алюмината, содержащегося в цементе, управляет скоростью достижения ККМ ПАВ в пенобетонных смесях и, как следствие, их агрегативной устойчивостью. Поэтому в технологии  пенобетонов попытки применения вяжущих с высоким содержанием алюминатов, в том числе с расширяющимися или напрягающими цементами не могут дать положительных результатов.

Все бетоны на основе цементных вяжущих обладают таким негативным свойством как усадка при твердении и высыхании. Усадка бетонов обуславливается капиллярными силами, развивающимися в порах материала при изменении его влажности.  Усадка цементного камня опасна не столько изменением геометрических размеров изделий, сколько возникающими при этом растягивающими напряжениями в бетоне. Усадочные напряжения приводят к образованию сквозных или поверхностных трещин, наличие которых определяющим образом влияет на эксплуатационные свойства и долговечность строительных конструкций. Введение расширяющих добавок приводит к компенсации усадочных явлений в цементном камне за счёт избыточного объёма, возникающего при образовании эттрингита [5] и общему понижению проницаемости бетона. Расширение – комплексный процесс, в котором есть многие составляющие. Наряду с капиллярными явлениями, осмотическим давлением и взаимодействием сольватных оболочек, являющихся основой обратимой части расширения – набухания,  достаточно существенным является образование кристаллогидратов, первую очередь, гидросульфоалюмината кальция трёхсульфатной формы.

Традиционные области применения  расширяющихся и напрягающих цементов – высокопрочные бетоны поиженной водо- и газопроницаемости. Оценка эксплуатационных свойств бетонов слитной структуры, изготовленных с применением расширяющих добавок различной природы, показала, что добавки сульфоалюминатного типа обеспечивают получение бетонов с прогнозируемыми свойствами. Кроме того, что повышенное содержание алюминатов в бетонах с расширяющей добавкой, способствует повышению биостойкости бетона, одного из важнейших эксплуатационных свойств материалов, применяемых при возведении объектов медицинского, спортивного, курортного или жилого назначения. Напрягающий цемент обеспечивает пассивное состояние стальной арматуры, начиная с момента изготовления бетона, и поддерживает его в течение расчётного срока службы конструкции из-за своей малой проницаемости. Напрягающие цементы показывают высокую стойкость к различным агрессивным воздействиям, что по отношению к бетону на портландцементе составляет: в сульфатных средах – 3,1; магнезиальных средах – 2,1; в хлорсодержащих средах – 3,1 [6]. Истираемость бетонов на НЦ  на 16…28% превышает показатели бетона на портландцементе аналогичного состава. Это делает цементы с расширяющимися добавками, чрезвычайно привлекательными для их применения в технологии ячеистых бетонов.

Однако, как это было показано ранее, для традиционных пенобетонных смесей повышенное содержание алюминатных компонентов в цементе не приемлемо, поскольку не позволяет получать материалы требуемой структуры и свойств. Поэтому для того, чтобы в пенобетонных смесях можно было исключать явления расслоения и обеспечивать получение безусадочных пенобетонов естественного твердения нами предлагается применять такую рецептуру, которая позволяет сохранять ячеистую структуру, полученную при перемешивании и исключать усадочную деформативность. Для этого пенобетонные смеси необходимо дисперсно армировать волокнами.

Дисперсно армированные пенобетонные смеси характеризуются повышенной устойчивостью к воздействию внешних нагрузок и расслоению. Установлено [7], что причиной повышения агрегативной устойчивости пеносмесей является наличие синтетической дисперсной арматуры (фибры) в составе межпоровых перегородок. Дисперсная арматура, являясь протяженной поверхностью раздела фаз, в ходе  приготовления  пеносмесей способна за счёт проявления поверхностных сил фиксировать в пространстве зернистые частицы вяжущего и заполнителя. После завершения процесса перемешивания и укладки смесей в формы в сформированной пеноструктуре, существующей в условиях термодинамического неравновесия, под  действием гравитационных сил начинаются описанные ранее процессы перераспределения слабо связанной межчастичной воды. Однако они не приводят к достижению ККМ и расслоению. В результате формирования трубчатых кластеров вокруг фибры процессы связывания влаги алюминатами и выделения влаги из центра кластеров взаимно уравновешиваются.  Таким образом удается сгладить негативное влияние высоких скоростей диспергации трёхкальциевого алюмината и образования эттрингита на характеристики поровой структуры пенобетонов. Кроме того, обеспечить  пониженные проницаемость и усадку дисперсно армированных пенобетонов за счёт проявления уплотняющих свойств цементов с расширяющимися добавками.

ВЫВОДЫ

Поскольку в технологии пенобетонов важнейшим условием формирования высокопрочной структуры является сохранение агрегативной устойчивости смесей в период фазовых переходов, то требования к цементам ранжируются в зависимости от разновидности пенобетонов. Для изготовления традиционных пенобетонов следует применять цементы с пониженным содержанием алюминатов. При изготовлении фибропенобетонов  минералогический состав портландцемента можно не регламентировать и даже применять расширяющиеся и напрягающие цементы.

Литература

1.Михайлов В.В., Литвер С.Л. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряжённые железобетонные конструкции. М., Стройиздат, 1974.         - 312 с.

2.Крапля А.Ф. Влияние фазового состава и микроструктуры клинкера на кинетику гидратации цемента//Цемент, 1982, №7.- С.5-7.

3.Перехоженцев А.Г. Вопросы теории и расчёта влажностного состояния неоднородных участков ограждающих конструкций зданий. Волгоград: ВолгГАСА, 1997.-273 с.

4.Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. СПб, "Химия", 1992. – 280 с.

5.Шейкин А.Е., Якуб Т.Ю. Безусадочный портландцемент. М., Стройиздат, 1966. – 112 с.

6.Несветаев Г.В., Чмель Г.В. Некоторые свойства расширяющихся цементов и бетонов на их основе // Бетон и железобетон в третьем тысячелетии. 1-я МНПК, Ростов-на-Дону, 2000. – С.271-274.

7.Моргун Л.В.  Анализ закономерностей формирования оптимальных структур дисперсно армированных бетонов//Известия ВУЗов. Строительство. 2003, №8.- С.58-62.