Физические свойства ячеистых бетонов

Физико-механические характеристики ячеистых бетонов определяют область их целесообразного использования в практике строительства. При установлении физико-механических свойств бетона используют методику ГОСТ 12852—67 [25].

Для испытания ячеистых бетонов из готовых изделии или контрольных неармированных блоков выпиливают или высверливают контрольные образцы: кубы, цилиндры, призмы. В случае необходимости можно испытывать контрольные блоки или изделия в натуральную величину [26—29].

Контрольные образцы вырезают из изделий или блоков не ближе 2 см от их граней. Если толщина изделия менее 24 см, контрольные образцы берут только из средней части.

Прочность и деформации ячеистых бетонов при кратковременном и длительном действии нагрузки определяют на призмах размерами 10Х10Х30; 15X15X60 и 20Х20Х80 см, выпиленных из неармированных блоков или отформованных в металлических формах. Призмы 10Х10X30 см, как и контрольные кубы с ребром 10 см, перед испытаниями высушивают до постоянного веса, а призмы больших размеров испытывают при естественной влажности в возрасте 28 суток и более.

Сопротивление ячеистых бетонов осевому растяжению определяют испытанием кубов или цилиндров, высушенных до постоянного веса, либо специальных призм или «восьмерок», а сопротивление изгибу и срезу — соответственно испытанием балок и призм специальной конфигурации.

Объемный вес

Объемный вес ячеистого бетона является одной из важнейших его характеристик, а в значительной мере определяет и другие физико-механические свойства. Объемный вес ячеистого бетона зависит от удельного веса строительного раствора межпоровых стенок, количества пор (пустот), образовавшихся в результате введения в строительный раствор пустотообразователя (пены или газа) и от водовяжущего отношения. Чем больше при изготовлении смеси введено газа (пены) и чем выше ее водовяжущее отношение, тем меньше объемный вес ячеистого бетона.

Для ограждающих конструкций зданий (наружных степ, покрытий), которые должны обеспечивать достаточную теплоизоляцию, целесообразно применять ячеистые бетоны малого объемного веса, а для межквартирных перегородок и межэтажных перекрытий, где требуется повышенная звукоизоляция, — большего объемного веса.


В настоящее время ячеистые бетоны изготовляют объемным весом в сухом состоянии γ_с=300÷1200 кг/м³ По области применения их подразделяют на следующие группы:

• теплоизоляционные — объемным весом от 300 до 400 кг/м³;
• конструктивно-теплоизоляционные — объемным весом от 500 до 900 кг/м³;
• конструктивные — объемным весом от 1000 до 1200 кг/м³.

Приведенные значения объемного веса ус являются средними, отклонения от этих значений не должны превышать ±50 кг/м³.

В нормативных документах кроме средних значений ус ячеистых бетонов (иногда необоснованно называемых максимальными) приведены необходимые для проектирования зданий нормативные значения объемного веса γ_н, учитывающие естественную влажность бетона в момент отпуска с завода, которая достигает 15—25% и более, и ориентировочный вес арматуры в изделиях.

Кроме того, ячеистые бетоны делятся на классы А и В. К классу А относятся ячеистые бетоны автоклавного твердения, а к классу Б — безавтоклавного, а также автоклавного твердения, но изготовленные на заводах, где технология производства недостаточно освоена. Подразделение ячеистых бетонов на классы определяется кубиковой прочностью бетона при заданном объемном весе (см. ниже).

Нормативные значения объемного веса ячеистых бетонов, используемые для определения собственного веса конструкций при их расчете на прочность и жесткость, приведены в табл. 10.

Удельный вес

Удельный вес межпоровой стенки ячеистых бетонов γ_y меняется в зависимости от исходных материалов в пределах от 2000 до 2700 кг/м³. Для отечественных ячеистых бетонов на золе γ_y=2000 кг/м³, а на кварцевом песке — 2700 кг/м³ [30, 491; для шведских ячеистых бетонов γ_y=2500 кг/м³ [88]; для венгерских γ_y=2350÷2650 кг/м³ [70].

Плотность, пористость и структура

Строительные свойства ячеистых бетонов в значительной степени определяются относительной плотностью или пористостью материала.

Под относительной плотностью бетона d_п понимают отношение объемного веса в сухом состоянии γ_с к удельному весу γ_y. У пористых материалов, к которым относятся ячеистые бетоны, величина относительной плотности d_п меньше единицы, так как γ_c<γ_у.

Пористость количественно определяется объемом пор в единице объема ячеистого бетона.

Показатель истинной (общей) пористости П_и характеризуется полным объемом открытых и закрытых пор в единице объема; эту величину вычисляют по формуле


Показатели истинной пористости П_и ячеистого бетона в зависимости от объемного и удельного весов приведены в табл. 11.


Показатель мнимой (открытой) пористости П_м ячеистого бетона характеризуется суммарным объемом открытых пор в единице объема материала. Этот показатель устанавливают путем насыщения сухого ячеистого бетона водой и значение его вычисляют по формуле


где G_в — вес образца после насыщения в г; G_c — вес образца, высушенного до постоянного веса, в г; V — объем образца в см³.


Показатели мнимой пористости зависят от способа насыщения ячеистого бетона водой (погружение в холодную воду, кипячение в воде и т. д.).

Для данного вида ячеистого бетона показатель открытой пористости по величине всегда меньше истинной пористости П_м<П_и.

Замкнутая пористость может быть определена как разность истинной и открытой пористости:


Структура ячеистого бетона не однородна Затвердевший ячеистый бетон состоит из замкнутых или открытых макропор и межпоровых стенок, содержащих в свою очередь микропоры и микрокапилляры. На строительные свойства ячеистого бетона оказывают большое влияние размеры пор и их однородность, толщина и свойства межпоровых стенок.

В структуре отечественных ячеистых бетонов макро-поры имеют круглую и эллиптическую неправильную форму с рваными краями; часто встречаются цепочки из 2—3 пор длиной 5—6 мм [49]. Структура шведских ячеистых бетонов состоит из круглых закрытых макропор диаметром 0,5—1,55 мм, разделенных межпоровыми стенками; межпоровые стенки пронизаны микропорами, имеющими диаметры, меньшие, чем макропоры [88]. Микропоры, как правило, являются открытыми и обеспечивают связь между макропорами.

Исследования показали, что прочность бетона зависит не только от численной величины пористости, но и от равномерности распределения пор по сечению, толщины и прочности межпоровых стенок, однородности пор и стенок. Можно полагать, что прочность ячеистого бетона при сжатии выше у тех образцов, у которых структура более равномерная.


Размеры макропор некоторых видов ячеистых бетонов приведены в табл. 12; в ней средние диаметры макропор d_ср, средние квадратические отклонения в размерах макропор σ_d и коэффициенты вариации (изменчивости) размеров макропор С^d_v вычислены по формулам:




где n — общее число пор; d_i — среднее значение диаметра пор по группе; n_i — число пор, входящих в данную группу.

Из приведенных данных видно, что нельзя установить четкой зависимости между прочностью при сжатии контрольных образцов-кубов и средним размером макропор d_ср. В наших образцах размеры макропор колебались от 0,188 до 0,736 мм, причем меньшему размеру макропор не всегда соответствовала большая прочность при сжатии.

Основной причиной, из-за которой не было выявлено влияние размера макропор на прочность контрольных образцов-кубов при сжатии, по нашему мнению, следует считать неравнопрочность межпоровых стенок.

Коэффициент изменчивости С^d_v в наших опытах дтя отдельных образцов колебался от 0,48 до 0,88, составляя в среднем 0,67. Хотя меньшим значениям С^d_v, как это видно из табл. 12, в ряде случаев соответствуют большие значения прочности, все же установить четкой зависимости между С^d_v и R_c не удалось. Так, были случаи, когда при близких величинах С^d_v значения R_c резко отличались.

Ячеистые бетоны, изготовленные по вибротехнологии, имеют более равномерное распределение пор. Г. Я. Куннос [40] установил, что уменьшение С^d_v для вибрированного газобетона в 1,75 раза, по сравнению с обычным газобетоном, приводит к повышению прочности при сжатии вибрированного бетона примерно в 2 раза.


По данным А. П. Меркина и А. П. Филина, коэффициент изменчивости диаметра пор С^d_v вибрированного газосиликата в 1,6 раза меньше, чем обычного, поэтому прочность при сжатии вибрированного газосиликата в 1,5 раза больше. А. П. Филин установил также, что с увеличением диаметра и изменчивости размеров макропор уменьшается прочность при сжатии ячеистого бетона.

Большинство работ, проведенных в области исследования структуры ячеистого бетона, было направлено на выявление размера и однородности макропор и их влияния на прочность этого материала. Однако макро-поры не оказывают решающего влияния на несущую способность ячеистого бетона, п в связи с этим в последние годы больше внимания начали уделять прочности и деформативности межпоровых стенок-мембран, которые воспринимают все внешние воздействия (усилия).

Исследования В. А. Пинскера [61] показали, что прочность при сжатии ячеистого бетона не зависит от диаметра пор, но связана с равномерностью их распределения; он также указывает на влияние сопротивления растяжению межпоровой стенки на прочностные показатели ячеистого бетона.

А. Т. Барановым и К. И. Бахтияровым показано, что прочность ячеистого бетона зависит от качества межпустотного материала и пористой структуры ячеистого бетона [6].

К. Э. Горяйнов [23] отмечает большое влияние межпоровых стенок-мембран на показатели прочности ячеистого бетона.

В ЦНИИСК и НИИЖБ для выбранных 10 образцов (см. табл. 12) были вычислены линейным способом толщины межпоровых стенок δст и величины изменчивости их размеров. Значения толщин межпоровых стенок, их средних квадратических отклонений δст и коэффициентов вариации Сδстv, вычисленных по формулам, аналогичным формулам (15)—(17), приведены в табл 13. Как видно из этих данных, толщины межпоровых стенок в среднем колеблются от 0,16 до 0,6 мм; в отдельных образцах межпоровые стенки имели толщины от 0,05 до 1,8 мм.


Коэффициент изменчивости толщин межпоровых стенок колебался от 0,5 до 0,89, составляя в среднем Сδстvср=0,71. Вычисления показали, что максимальную прочность имеют те ячеистые бетоны, которые характеризуются минимальными Сδстv.

Из проведенного анализа макроструктуры некоторых видов ячеистых бетонов следует, что предлагаемые различными исследователями модели рабочей структуры ячеистого бетона с порами сферической, сотовой или иной формы при одинаковом размере макропор и межпоровых стенок весьма условны и значительно отличаются от действительной макроструктуры. Действительная форма макропор очень далека от сферической, сотовой или какой-либо другой правильной геометрической формы. Практически макропоры имеют разнообразную форму и размеры, которые не описываются геометрическими фигурами правильной формы; это же относится и к межпоровым стенкам, толщина которых также непостоянна.

Влажность

Влажность ячеистых бетонов оказывает большое влияние на их прочность, теплопроводность и другие свойства.

В зависимости от вида ячеистого бетона, его объемного веса и технологии изготовления влажность после автоклавной обработки колеблется в значительных пределах: от 20 до 40% (по весу). Применение вибротехнологии позволяет снизить влажность бетона до 15—25% [23, 40].


В процессе эксплуатации элементы конструкций из ячеистых бетонов постепенно высыхают. Через 1—2 года эксплуатации в нормальных условиях в ограждающих ячеистобетонных конструкциях устанавливается постоянная равновесная влажность, которая в среднем не превышает значений, приведенных в табл. 14. Эту установившуюся влажность принимают за расчетную, которую надлежит учитывать при статических и теплотехнических расчетах.

Водопоглощение

Водопоглощение ячеистого бетона обусловливается его большой пористостью. Величину водопоглощения определяют по тем же формулам, что и влажность [25]. Показатели водопоглощения ячеистых бетонов приведены в табл 15.

Сорбционное увлажнение

Сорбционное увлажнение ячеистого бетона зависит в первую очередь от его структуры, вида, величины и расположения пор, а также от температурно-влажностных условий окружающей среды. Подробно методика определения сорбционных свойств ячеистых бетонов описана в [25].

На рис. 15 показан характер изменения влажности наружной стены из газобетона в процессе эксплуатации жилого дома в Ленинграде [30], а на рис. 16 — диаграмма увлажняемости шведского газобетона в зависимости от относительной влажности воздуха [88].

Средние опытные значения сорбционной влажности ячеистых бетонов в зависимости от их объемного веса и относительной влажности среды приведены в табл. 16.

Данные о сорбционной влажности разные исследователи приводят как в процентах по весу, так и по объему.


Для перехода от влажности по объему W_с.о к влажности по весу W_с.в пользуются известной формулой


Так как относительная влажность воздуха влияет на влажность ячеистого бетона, применение изделий из этого бетона в зданиях с повышенной влажностью воздуха следует ограничить.

Капиллярный подсос

Капиллярный подсос происходит через микрокапилляры в межпоровых стенках; всасывающая способность самих макропор невелика. Величина капиллярного подсоса определяет степень увлажнения ограждающей ячеистобетонной конструкции под дождем и скорость испарения влаги в процессе эксплуатации. Исследования П. Перепета [56] показали, что капиллярный подсос и водопроницаемость газобетона ниже, чем у кирпича. К аналогичному выводу пришел О. Граф [86]. Результаты его испытаний по определению капиллярности разных материалов приведены в табл. 17.


На графике (рис. 17) показано увлажнение газобетона при капиллярном подсосе. Испытания были проведены по следующей методике. Образцы размером 50Х50Х100 мм покрывали водонепроницаемой мастикой, а открытой торцевой поверхностью погружали в воду на 3—6 мм [30].

Морозостойкость

Морозостойкость ячеистого бетона характеризуется его способностью в насыщенном водой состоянии выдерживать требуемое по условиям долговечности или сроку службы конструкции определенное число циклов попеременного замораживания и оттаивания. При испытании на морозостойкость [25] прочность ячеистого бетона не должна снижаться более чем на 25%. Минимальная марка но морозостойкости для ограждающих конструкции из ячеистых бетонов должна быть согласно нормам не менее Мрз 25. Такая морозостойкость должна обеспечиваться в наружных ограждающих конструкциях зданий с сухим и нормальным режимом помещений; для зданий с влажным режимом помещений принимается Мрз 35 и выше; для внутренних конструкций бетон может иметь марку Мрз 15.

Относительно высокая морозостойкость ячеистых бетонов объясняется их высокой пористостью. При увлажнении ячеистого бетона и атмосферных условиях воюй заполняются в основном мнкрокапилляры за счет сорбции из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры заполняются водой не полностью, поэтому при замораживании в свободное пространство отжимается вода из микрокапилляров, не вызывая разрушений межпоровых стенок.

Опыт эксплуатации конструкций из ячеистых бетонов показал, что наибольшей морозостойкостью обладают бетоны на цементе, а наименьшей — на извести. При соблюдении требований технологии можно получить ячеистый бетон на извести, удовлетворяющий требованиям по морозостойкости. Однако наблюдаются случаи недостаточной морозостойкости бетона, в частности, изготовленного на некондиционной извести. При усиленном увлажнении с последующим воздействием мороза такие конструкции при эксплуатации повержены разрушению.

Результаты испытаний на морозостойкость автоклавных ячеистых бетонов приведены в табл. 18 [30]. Коэффициент морозостойкости К_Мрз=R_Мрз:R_c всегда выше 0,75, а в ряде случаев К_Мрз близок к 1. Некоторые виды ячеистых бетонов, изготовленных на оптимальных составах, выдерживают 100 и даже 150 циклов попеременного замораживания и оттаивания [38, 49].

Усадка и набухание

Усадка и набухание ячеистых бетонов оцениваются по различным методикам, поэтому результаты таких исследований трудно сравнивать. По данным отечественных и зарубежных исследований, деформации усадки автоклавных ячеистых бетонов, изготовленных на основе цемента (шлака) и песка, достигают 0,5—0,7 мм/м и более для бетонов, изготовленных на основе извести и золы, а безавтоклавных бетонов 2 мм/м и более; деформации набухания зависят от условий хранения ячеистого бетона и достигают 0,4—1,6 мм/м.

В качестве примера на рис. 18 приведены графики изменения усадки ячеистых бетонов во времени по данным советских и чехословацких исследователей [84]. На рис. 19 [88] приведены изменения усадки ячеистого бетона во времени по данным шведских исследователей, а на рис. 20 — деформации набухания при попеременном увлажнении и высушивании бетона [11].

Как правило, деформации усадки устанавливают на образцах-призмах размером 40X40X160 мм.

Рис. 19. Графики деформаций усадки ячеистых бетонов >

Рис. 20. Деформации набухания ячеистых бетонов >

Рис. 21. Прибор для определения усадки ячеистых бетонов >

В настоящее время разработана методика определения усадки ячеистых бетонов на индикаторном приборе конструкции НИИЖБ [25]. Величину линейной усадки определяют на трех призмах размером 40X40X160 мм, выпиливаемых из изделия, подлежащего испытанию. Образец измеряют с помощью прибора, показанного на рис. 21. Прибор состоит из стоики, кронштейна, нижней опоры с конусообразным выступом и индикатора с ценой деления 0,01 или 0,001 мм, позволяющего устанавливать изменение длины образца. Продольная ось образца при горизонтальном формовании должна быть перпендикулярна направлению вспучивания ячеистого бетона, а при вертикальном — параллельна направлению большей геометрической оси изделия. В середину торцовых сторон образца заделывают для закрепления его и приборе металлические реперы. Образцы насыщают водой, погружая их в горизонтальном положении на глубину 5 мм. По истечении трех суток образцы вынимают из воды, устанавливают в прибор, делают отсчет по индикатору, принимая его за начальный. Затем образцы взвешивают и помещают в герметичную емкость над безводным карбонатом калия (в количестве 200 г) при температуре 20±2°С. В этих условиях их выдерживают в течение 28 суток. Через каждые 7 суток проверяют длину и вес образцов, одновременно заменяя увлажненный карбонат калия сухим.

После определения линейной усадки образцы высушивают до постоянного веса с целью определения их конечной и начальной влажности. По истечении 28 суток для каждой призмы вычисляют линейные изменения по формуле


где ε_ус — усадка в мм/м. Δl — разность между конечными и начальным показателями индикатора в мм, l — длина призмы через 28 суток, измеренная штангенциркулем, в м.

Усадку и влажность вычисляют как среднее арифметическое результатов определения трех образцов; при этом учитывают начальную и конечную влажность призм.

Исследования усадки ячеистых бетонов по данной методике показали, что величина ε_ус для разных видов автоклавных ячеистых бетонов меняется от 0,1 до 1 мм/м и в ряде случаев значительно отличается от величии ε_ус, определенных по другим методикам.

Температурно-влажностные деформации

Изменение объема ячеистых бетонов происходит в результате попеременного увлажнения и высыхания, нагревания и остывания, замерзания и оттаивания. При этом уменьшение или увеличение размеров ячеистобетонных элементов часто приводит к их растрескиванию, что связано с развитием внутренних напряжений, превышающих сопротивление ячеистого бетона растяжению.

Изменения объема ячеистобетонных элементов в результате изменения температурно-влажностных условий окружающей среды характеризуются коэффициентом температурно-влажностного расширения бетона α.

Зависимость коэффициента а от изменения температуры и влажности выражается формулой, предложенной Г. И. Вейденбаумом [17]:


где A, B, C и D — постоянные эмпирические коэффициенты; W — весовая влажность в %, t — температура материала; α₀ — коэффициент температурного линейного расширения ячеистого бетона.

Для отечественных и зарубежных ячеистых бетонов [88, 77] коэффициент линейного расширения как бетонных, так и железобетонных конструкций при их охлаждении и нагреве от 0 до 100°С принимают равным α₀=0,000008

Данные по деформации ячеистых бетонов при попеременном замораживании и оттаивании приведены в работе [17].

Паропроницаемость и воздухопроницаемость ячеистых бетонов являются важными свойствами, которые необходимо учитывать при проектировании ограждающих конструкций. Под паро- и воздухопроницаемостью ячеистых беюнов понимается способность материала пропускать через себя соответственно парили воздух; методика определения тих характеристик дана в [25]. Ориентировочные значения паро- и воздухопроницаемости отечественных ячеистых бетонов [49] приведены в табл. 19.

Теплопроводность

Теплопроводность ячеистого бетона характеризуется коэффициентом теплопроводности, величина которого определяется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 7076—66. Численные значения коэффициента теплопроводности ячеистого бетона в сухом состоянии λ_с и при некоторой влажности λ_в [49, 84] приведены в табл. 20 и 21.

Теплоемкость

Теплоемкость ячеистого бетона характеризуется коэффициентом удельной теплоемкости. Для ячеистых бетонов γ_с=300—1200 кг/м³ коэффициент удельной теплоемкости, но данным разных исследователей, меняется в пределах от 0,15 до 0,25 ккал/кг·град.

Звукоизоляционные свойства

Звукоизоляционные свойства ячеистых бетонов определяют способность ограждающих конструкций задерживать звук. В табл. 22 приведены значения звукоизоляции стен из ячеистых бетонов по данным зарубежных авторов [84].

Исследования звукоизоляции, проведенные на зданиях, построенных из газобетонных блоков [30], показали, что при объемном весе внутренних поперечных стен γ_с=1000÷1200 кг/м³ и толщине 24 см их звукоизолирующая способность составила 48 дб, что удовлетворяет требованиям СНиП; в этих зданиях вес 1 м² стены составляет 240—288 кг. Согласно нормам минимальный вес 1 м² стены, необходимый для обеспечения требуемой звукоизоляции, составляет 300 кг.

Огнестойкость

Ячеистый бетон огнестоек [39]. Испытания пенобетонных кубов показали, что пенобетон выдерживает одностороннее воздействие огня (800°С) без особых разрушений в течение 4 ч. Огнестойкость пеносиликата оказалась более высокой: при γ_с=700÷800 кг/м³ и толщине образца 8 см под действием огня (1270°С) пеносиликат не подвергся разрушению в течение 2 ч 38 мин. Под действием струи воды поверхность раскаленного образца разрушилась незначительно. Опытами установлено, что при нагревании до 100—150°С и последующем охлаждении прочность пенобетона возрастала на 10%; при нагревании до 200—300 С прочность оказалась такой же, как и до нагревания; при нагревании до 400—500°С прочность снизилась на 20%, а при нагревании до 550—800°С — на 50% по сравнению с прочностью до нагрева. Таким образом, огнестойкость ячеистых бетонов выше, чем обычных тяжелых бетонов.

По шведским данным [88], при нагревании примерно до 1000°С ячеистый бетон начинает спекаться. Для полного плавления его требуется нагревать до температуры 1100—1200°С.

На рис. 22 показаны графики деформации усадки и изменения предела прочности при сжатии в результате нагревания ячеистых бетонов до различных температур [79].

Хрупкость

Ячеистый бетон — это хрупкий материал, он легко разрушается от незначительных ударов, местных перенапряжений, поэтому с ячеистобетонными изделиями следует обращаться осторожно, особенно при транспортировании.

Обрабатываемость

Ячеистые бетоны и изделия из них легко пилятся, режутся, рубятся, строгаются, сверлятся, в них легко забиваются гвозди, скобы и штыри. Учитывая абразивность материала, для его обработки рекомендуется применять инструменты из твердых сплавов.

Цвет

В зависимости от исходных материалов и способа тепловлажностной обработки цвет ячеистых бетонов может быть белым, серо-белым, серо-синим, серо-красным и стальным [82].