Ячеистые бетоны для тепловой защиты зданий и сооружений

   В последние годы все более актуальной становится работа отечественных и зарубежных ученых по разработке основ зданий нового поколения (энергоэффективные, адаптируемые, «здоровые», «интеллектуальные», «биоэнергетические» здания). Очевидно, что из всего разнообразия зданий ХХI века предпочтение должно быть отдано такому типу, такой конструктивной схеме и используемым материалам, которые в наиболее полной мере соответствуют особенностям строительного производства, природным богатствам, уровню жизни населения, климатическим условиям, географическому положению конкретного региона России.
   В Пензенской государственной архитектурно-строительной академии комплексно прорабатывались вопросы научного и инженерно- технического характера по созданию эффективных местных теплоизоляционных материалов в научных лабораториях, их освоению на промышленном производстве и целенаправленному использованию в конструктивных системах зданий.
   Одна из основных задач выполненной работы – создание экологически чистых и более дешевых по сравнению с импортными аналогами теплоизоляционных материалов, а также их применение в таких конструктивных схемах наружных ограждений, которые обладают наибольшей теплотехнической эффективностью и способствуют формированию комфортного микроклимата помещений.

   В качестве таких материалов были выбраны и исследованы различные составы неавтоклавного ячеистого бетона на основе модифицированного цементного, гипсоцементнопуццоланового вяжущего (ГЦПВ). Отличительной особенностью всех разработанных составов является их привязка к местным геологическим особенностям Пензенской области. Так в качестве наполнителя были использованы диатомит и тонкомолотый известняк (Sуді4000см2/г), а активной минеральной добавкой в ГЦПВ являлась сурская опока (яSуді4500см2/г, активность по поглощению щелочи из раствора
   210 мг/г). Для улучшения теплофизических свойств материала и снижения его себестоимости были проведены исследования по разработке составов с трубчатыми отходами сельскохозяйственного производства в качестве растительного заполнителя.
   Процесс порообразования при изготовлении пенобетона заключается в принудительном вовлечении и диспергировании пузырьков газа в раствор, содержащий ПАВ. Для приготовления пены в процессе разработки составов ячеистых бетонов была использована одностадийная технология, в основе которой лежит применение аппарата (высокоскоростной аппарат с мешалками), вовлекающего воздух в поризуемый раствор за счет эффекта кавитации. Механизм образования пузырька пены заключается в формировании двойного адсорбционного слоя, состоящего из молекул пенообразователя. Скорость образования единичного газового включения определяется скоростью диффузии молекул ПАВ из объема раствора к поверхности образующихся фаз. При выходе газовых пузырьков на поверхность поризуемого раствора он окружается двойным защитным слоем ПАВ, который препятствует коалесценции новообразований. В первом приближении скорость всплытия отдельного газового пузырька в жидкости выражается уравнением Адамара и Рыбчинского:

где ρ– плотность; η – динамическая вязкость; R – радиус пузырька; индекс «1» относится к газу, индекс «2» – к жидкости.
   На скорость всплытия пузырьков значительное влияние оказывают и гидродинамические условия образования пены. В случае единовременного всплытия большого числа пузырьков вовлекаемого воздуха скорость их вертикального движения к поверхности раствора определяется видоизмененным законом Стокса:

где φ – объем вовлекаемого воздуха.
   Высокоразвитая поверхность раздела фаз обуславливает значительный избыток свободной энергии в поверхностном слое, что является причиной агрегативной неустойчивости пен. Следовательно, такие системы при постоянных внешних условиях будут стремиться самопроизвольно, т.е. без внешнего воздействия, переходить в более стабильные формы, характеризуемые меньшей величиной свободной энергии в поверхностном слое.

 (1)

Исходя из формулы (1), слипание отдельных пузырьков в пене является термодинамически выгодным процессом, так как сопровождается уменьшением величины площади поверхности раздела фаз, а значит и уменьшением свободной энергии системы в целом. Процесс самопроизвольного разрушения пен происходит до момента достижения системой минимального значения свободной энергии, т.е. до полной сепарации дисперсионной системы типа «газ - жидкость» на составляющие. Таким образом, на характер структурообразования пены и ее стойкость значительное влияние оказывают гидродинамические факторы процесса вспенивания, концентрация и вид пенообразующего ПАВ, а также реологические характеристики поризуемого раствора.
   Особое внимание при разработке и оптимизации составов как на лабораторном этапе исследований, так и в условиях промышленного внедрения было уделено повышению стойкости пенобетонной смеси, исключению ее подсадки в процессе твердения. В качестве пенообразующих ПАВ при изготовлении полученных составов ячеистых бетонов использовали только отечественные технические пенообразователи («Пеностром», «Морпен», «ПО-6К» и др.). Анализ результатов исследования влияния концентрации и вида пенообразователя на величину поверхностного натяжения раствора показал, что все использованные в работе ПАВ эффективно понижают последнюю до величин 27...31•103 Н/м («Пеностром» .... «ПО-1»). Это предопределяет их высокую пенообразующую способность (см. рис.).

   В качестве добавок, стабилизирующих пеномассу, использовали тонкомолотые минеральные наполнители с различным электрокинетическим потенциалом поверхности. Проведенные исследования показали, что на стойкость пеномассы определяющее влияние оказывает размер частиц наполнителя и его водопоглощение. Знак заряда на поверхности частиц в исследованных пеносистемах носит второстепенный характер.
   Как показали результаты промышленного внедрения, получить требуемую стойкость пенобетонной смеси при введении одних минеральных стабилизаторов в реальных условиях налаживаемого производства (при существенной амплитуде колебаний температуры внутреннего воздуха , например, от -3 до +200С), не всегда удается. Поэтому для повышения стойкости смеси были использованы синтетические вещества на основе модифицированного крахмального вяжущего, регулирующие вязкость поризуемого раствора. Основные свойства разработанных составов приведены в табл. 1, 2. Основные свойства разработанных пенобетонов на основе модифицированного цементного вяжущего приведены в табл. 2.

   Пенобетон, обладая такой же физико-химической природой, как и другие минеральные материалы, хорошо совместим с последними в многослойных ограждающих конструкциях и служит надежным материалом для возведения однослойных ограждений в съемной и несъемной опалубке.
   Такие конструкции однослойных стен отличаются высокой технико-экономической эффективностью при их использовании в строительстве сельских (пригородных) домов одноквартирного и сблокированного типов. Сравнительно невысокая стоимость этих домов, удобная планировка, наличие приусадебных участков земли, близость к природе и архитектурно-строительная совместимость с нею представляют собой факторы, обладающие большой экологической привлекательностью и способные в перспективе вызвать повышенный спрос на жилье данного вида, что позволит отчасти решить проблему его нехватки как в Пензенском, так и в других регионах страны.
   Данные технико-экономического анализа показывают, что по таким важным показателям, как общий вес конструкций и стоимость, дома на одну или несколько квартир из сборного и монолитного ячеистого бетона превосходят дома из кирпичной кладки (эти показатели у них соответственно в 2,1 – 2,9 и 1,8 – 4,0 раза меньше).
   Теплотехническая однородность, отсутствие теплопроводных включений, обеспечивающие благоприятный температурно-влажностный режим наружных ограждений, монолитная связанность сечения и долговечность, технологичность и сравнительно небольшая трудоемкость изготовления – такими преимуществами обладают ячеистые бетоны в ограждениях перед многослойными конструкциями из железобетонных слоев и органического утеплителя. При использовании ячеистого бетона низкой плотности в качестве межкаркасного стенового заполнения вышеперечисленные достоинства этого материала становятся особенно заметными.
   Так, например, вес 1 м2 стенового ограждения из ячеистого бетона плотностью 300 кг/м3 в 4–5 раз меньше веса соответственно ограждения из легкого бетона на пористом заполнителе плотностью 700 кг/м3 и трехслойной конструкции из тяжелого бетона и пенополистирольного утеплителя.
   Высокие теплоизоляционные свойства ячеистого бетона низкой плотности позволяют успешно решать вопросы энергосбережения как в малоэтажных, так и в многоэтажных домах. Подсчитано, что в малоэтажных зданиях, имеющих наибольший удельный расход тепловой энергии, только за счет применения конструкций из теплоизоляционного ячеистого бетона удается на 15–30 % снизить расход тепла в системе отопления здания по сравнению с традиционными конструкциями наружных ограждений.