XXI век - век легких бетонов

[Filippcha]

Проблема взаимодействия общества и природы становится одной из важнейших проблем, имеющих серьезное экологическое противоречие. Человечество потребляет огромное количество природных ресурсов и на порядок больше оставляет техногенных отходов. Это грозит экологической катастрофой, предвестником которой уже стала «смена» геологических эпох развития нашей Земли: окончание четвертичного периода и начало нового, пятеричного периода ее истории или техногена [1].
Одним из главных девизов третьего тысячелетия является сохранение окружающей среды. При этом каждый этап строительства должен быть «жизнеподдерживающим», начиная от разработки сырьевых материалов, их переработки, вплоть до сноса и повторного использования материалов.
Последнее предопределило стремление сохранить, в частности, ресурсы природных каменных материалов, устранив при этом опасность разработки плотных горных массивов, имеющих весьма хрупкую экологию (осыпи, обвалы, лавины, оползни и др.)



Основная часть территории России представляет собой равнину, 85% площади которой покрыто осадочными образованиями. Перевозка горных пород в центральные районы в наших условиях составляет 300-500 км, что определяет высокую, постоянно растущую стоимость этих материалов.
Между тем резко возросшая потребность в малотеплопроводных материалах при остром энергетическом дефиците - кардинальная проблема современного строительства, обусловливающая необходимость существенного увеличения термического сопротивления наружных ограждений строительных объектов. Это равноценно значительному повышению толщин наружных ограждений и выведению их за границы разумного при высокой теплопроводности стеновых материалов, что привело к появлению трёхслойных конструкций наружных ограждений из тяжёлого бетона с эффективным утеплителем на органической основе.
Перспективным представляется использование однослойных сечений панелей наружных ограждений из лёгких бетонов пониженной средней плотности. Для этого экологически необходимо и экономически целесообразно утилизировать накопившиеся в огромном количестве и ежегодно увеличивающиеся технологические отходы (шлаки, шламы, золы, осадки сточных вод, бытовой мусор и т.д.), в первую очередь в пористых материалах и изделиях - пористых заполнителях, блоках, камнях.
В основе изготовления искусственных экологически чистых пористых заполнителей нового поколения будут, по-прежнему, в основном температурные процессы тепловой обработки или обжига, вспучивания, агломерации при минимальных расходах энергетических и других ресурсов. Среди особенностей перерабатывающих технологий, несомненно, необходимо выделить активную оптимизацию сырьевых компонентов, комплексное использование отходов (органики, коагулянтов, флокулянтов, плавней, тяжёлых металлов, ПАВ) различного назначения, содержащихся в специальных добавках, которые бы работали на создание материалов заданных свойств при комплексном ресурсосбережении [2]. Весьма важно, что при этом возможно получение пористых заполнителей марок низкой и средней плотности, низкой теплопроводности, экономически целесообразных в однослойных наружных ограждениях, а также в теплоизоляционно-конструкционных легких изделиях. (Новый пористый безобжиговый заполнитель из мокрых асбестоцементных отходов с цементной оболочкой.)

Применение конструкционных легких бетонов дает широкий диапазон свойств, обеспечивающих общее снижение массы конструкций. Известно, что именно сочетание легкого бетона различной средней плотности в конструкциях зданий дает максимальный эффект по всем показателям.
Почти во всех регионах нашей страны имеется весьма значительный запас техногенных отходов, пригодных для изготовления искусственных пористых заполнителей. Применение этих отходов позволит снизить стоимость заполнителей, сохранить земельные угодья, уменьшить загрязнение окружающей среды. Использование техногенных отходов в качестве пористых заполнителей всегда экономически и экологически целесообразно.
В последние годы много сделано для модернизации и повышения эффективности производства традиционно производимых пористых заполнителей: понижение, а также повышение насыпной плотности керамзитов, пористого песка, полученных по различным технологиям, шлаковой пемзы, гранулированного металлургического шлака, агломерата, шунгизита и др. После обогащения топливных шлаков на основе получаемых зол выпускают зольный гравий, глинозольный гравий и другие пористые продукты.
В России успешно производят пористые наполнители высокого качества, на уровне мировых стандартов и даже превышающие их. Прежде всего это -шлакостеклогранулят (ШСТ), получаемый из доменных ферросплавных шлаков текущего выхода. ШСТ класса А - теплоизоляционный материал для наружных ограждающих конструкций, ШСТ класса Б - конструкционный высокопрочный материал с пределом прочности на сжатие до В60 включительно. Шлакостеклогранулят дешевле керамзитового гравия в 3-5 раз, на порядок меньше и затраты на его производство.
Пористый гравий изготавливают из шлакозольных отходов ТЭС текущего выхода (шлакозита). Полученный таким образом пористый гравий имеет более высокие теплотехнические качества, чем обычный керамзит. Также налажено производство пористого керамзита за счет сгорания отходов угледобычи (до 15% угля) с высокими показателями качества [4].

Малотеплопроводные, экологически чистые обжиговые пористые заполнители можно получать также из осадков сточных вод, которые могут быть утилизированы совместно с некондиционными глинами и вскрышными глинистыми породами. Учитывая многофункциональный состав содержащихся в сточных водах веществ, необходимо корректировать технологический процесс обжига, увеличивая газообразование при снижении не менее чем на 20% температуры обжига. При этом можно получить насыпную плотность 130~170 кг/м3 пористого заполнителя.
Предлагается получение безобжиговых пористых заполнителей и из уже накопленных и ежегодно увеличивающихся техногенных отходов производства асбестоцемента (шламов), создающих определённые экологические проблемы. Это экономически целесообразная, ресурсосберегающая, нетрадиционная технология утилизации их в пористый слоистый заполнитель.
Создана технология утилизации влажных асбестоцементных шламов (с влажно¬стью 50-70%, химически инертных) в сердцевину слоисто-пористого заполнителя методом грануляции. Окатывая влажный шлам и отсекая избыточную влагу, в том числе в сухое цементирующее, получаем плотную оболочку. Тепловая обработка сырца происходит при температуре 80-85°С в течение б часов и позволяет получить пористый заполнитель насыпной плотностью 275-355 кг/м3 с пределом прочности в цилиндре 1,75-3,0 МПа. Экологически чистый теплоизоляционный пористый заполнитель низкой теплопроводности позволяет получить теплоизоляцинно-конструктивные, обладающие высокой морозостойкостью и достаточной долговечностью легкие бетоны (см. рис.).
Почти во всех регионах нашей страны имеются весьма значительные и интенсивно увеличивающиеся производственные отходы типографий, бумагоизготовительных предприятий, утилизация которых пока ограничена их сжиганием. Однако из бумажных обрезков можно изготовить «полое» ядро - сердцевину окатанных обрезков с последующим повторным окатыванием бумажного ядра сырьевой смесью для создания плотной оболочки. Созданный безобжиговый пористый гравий представляет собой искусственный слоистый заполнитель шарообразной формы, состоящий из полого ядра - сердцевины и плотной цементирующей оболочки. В качестве последней возможно использовать цементно-зольную смесь или ГЦПВ. Насыпная плотность слоистого гравия колеблется от 300 до 400 кг/м3.

Конечно, следует еще отрабатывать опытную технологию получения и слоистых пористых заполнителей и лёгкого бетона на его основе, чтобы повысить их эффективность в условиях техногена.
Во всех индустриально развитых странах прослеживается тенденция наращивания производства пористых заполнителей как особо низких марок по средней плотности, так и повышенных, до 600-800 кг/м3. Этого требуют легкие теплоизоляционные бетоны для экономии теплоэнергии, снижения энергозатрат примерно на 20%, в то же время использование конструкционного легкого бетона позволяет экономить 30~50% массы при строительстве высотных зданий.
Наиболее эффективные легкие бетоны получены на основе пенополистирола [4]. Они широко используются в строительстве. Высокоэффективный теплоизоляционный пенополистиролбетон имеет плотность Д 200-350. Такие модифицированные пенополистирольные бетоны применяют, например, для кладки однослойных наружных стен, самонесущих в пределах этажа.
Модифицированный пенополистиролбетон с высокопористой пластифицированной матрицей имеет наименьшую возможную плотность Д 150-250 кг/м3. Это особолегкий бетон. Структура таких бетонов аморфизированная, теплопроводность на портландцементе 0,055-0,075 Вт/(м°С), а на шлакопортландцементе - 0,052-0,070 Вт/(м°С).
Конструкционный легкий бетон у нас применяют с классом прочности В б0~65 МПа, т.е. М 800 кг/см2 при Д 1900 кг/м3.
Высокопрочный легкий бетон имеет ползучесть равнопрочного тяжелого бетона.
Монолитный каркас из керамзитобетона Д 1800 кг/м3 обеспечивает получение М 600 кг/см2.
Конструкционные легкие бетоны обладают прочностью на сжатие от В 15 (М 200) до 40 (М 500), имеют плотность Д 1200-1850 кг/м3. Модифицированные конструкционные легкие бетоны изготавливают с тем же армированием и в тех же формах, что и тяжелые бетоны аналогичных конструкции, но при экономии массы 20~50%.
Конструкционный легкий бетон широко применяется в различных отраслях. Особо важно, что в равнопрочных конструкционных легких и тяжелых бетонах можно экономить 25~40% массы, что крайне важно при современном высотном строительстве, особенно при изготовлении перекрытий больших пролетов, мостов, плавучих платформ и т.п. Класс прочности В легкого бетона - от 60 до 100 МПа.
Лёгкие конструкционные бетоны имеют высокую огнестойкость и трещиностойкость, низкую истираемость.

В России получен лёгкий бетон водонепроницаемостью 2 МПа, а также 4 МПа - в вибропрессованных трубах, выпускаемых ранее в Саратове [2], высокой соле-, морозостойкости в бортовом камне.
Себестоимость производства легких бетонов на пористых заполнителях в настоящее время не превышает себестоимости равнопрочных тяжелых бетонов в большинстве регионов России, но снижена в регионах, где легкий бетон производится.
Модифицированный конструкционный легкий бетон имеет модуль упругости примерно как у равнопрочного тяжелого бетона. Легкий бетон имеет высокую сейсмостойкость, которая уменьшается пропорционально снижению массы, а низкий модуль упругости способен поглощать (гасить) распространяющиеся колебания [2] (подтверждено в г. Спитаке). Огнестойкость - выше, чем у тяжелого бетона, т.к. легкий бетон имеет низкую теплопроводность и высокую трещиностойкость. Последняя способствует повышенной ударной прочности легкого бетона [3].
Существенно, что использование легких бетонов снижают теплоотдачу здания и повышают уровень его теплозащиты менее чем на 20%, соответственно снижая электропотребление при эксплуатации зданий и повышая пожаростойкость здания. Комфортность проживания в домах из легкого бетона вследствие пониженной теплопроводности и повышенной паропроницаемости также относится к преимуществам применения этого материала.