Study of the structure and characteristics of autoclaved aerated concrete

Shakirova Veronika Aleksandrovna PhD in Architecture Engineering Architect, "Prodom" LLC 660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, ul. Prospekt Svobodnyi, 82, korpus 24(A), aud. 501 veronika-arch@mail.ru Other publications by this author

Введение

Газобетон – перспективный и экологичный строительный материал, и конечный результат совершенного уровня в характеристиках и свойствах этого материала еще не достигнут. Автоклавный газобетон имеет не очень продолжительную историю, а сама история развития, периодизация и современные проблемы газобетона, с позиции их структурных составляющих - не совсем раскрыты со стороны исследователей. В настоящее время также необходимы новые разработки рациональных технологий изготовления газобетона с целью повышения качества производства. Прежде всего, это связанно с низким уровнем качества используемого сырья и высокой стоимостью применяемых добавок.

Актуальность:

Актуальность исследования определяется активным развитием современных технологий, в том числе в области строительства, и необходимостью изучения и получения соответствующих материалов, включая исследования в области совершенствования структуры и свойств автоклавного газобетона.

Следует провести изучение опыта поиска строительного материала, альтернативного каменной кладке – для облегчения нагрузок на фундамент и более простого монтажа при строительстве, который так же способствовал бы повышению теплоизоляционных качеств для комфортного проживания людей и отвечал таким требованиям, как: экологичность, долговечность и пожаробезопасность. Отличие газобетона от других искусственных материалов – в технологии производства через естественные реакции порообразования и твердения материала.

В работах ^[1-6] изучается исторический опыт и появление газобетона. В статьях ^[7-14] представлены возможные изменения состава и свойств автоклавного газобетона, с целью энергоэффективности, долговечности и экологичности.

В данной работе рассмотрены и проанализированы основные события, повлиявшие на создание автоклавного газобетона, возможности улучшения его свойств и характеристик.

Цель работы: исследование исторического опыта и современных технологий для изготовления газобетона.

Задачи исследования:

1. Определение исторических этапов развития газобетона;

2. Выявление современных исследований в изготовлении газобетона и их влияние на характеристики газобетона, его структуры и свойств.

Предмет исследования: история развития исследований и совершенствования структуры и свойств автоклавного газобетона.

Методы исследования: обзор исторического опыта и сравнение физических свойств газобетона.

Методология исследования: основана на теоретическом подходе с применением методов анализа, обобщения, сравнения, синтеза.

Историческое развитие газобетона в настоящем исследовании построено исходя из анализа от формообразования материала до современного модернизирования качества материала.

Часть 1. Ретроспективное изучение истории газобнтона, переодизация (этапы)

На самом начальном этапе развития – состав раствора на основе извести и минеральных вяжущих, начало свое первое применение в Египте при применении кладочных и штукатурных растворов, например при строительстве пирамиды Хеопса и большого сфинкса 5 тысяч лет тому назад. Более широкое применение пошло в Греции для штукатурных и облицовочных работ. Данный состав раствора для кладки и отделки имел достаточно прочные характеристики и хорошо проявился своей долговечностью.

Ретроспективное изучение истории газобетона, производство которого происходило на основе естественные реакции порообразования и твердения материала, дает основание выявить несколько исторических этапов (рис. 1), характеризующих содержательное развитие этого строительного материала.

Рисунок 1 – Историческое развитие газобетона, периодизация (этапы): схема

Этап 1. Монолитное использование

До формирования блоков - известковый раствор применялся в виде монолитного метода, как при строительстве Дмитриевского собора в 1195 г. XII в. в г. Владимире и даже спустя 750 лет, раствор имеет достаточно высокую прочность – 8МПа ^[1].

Этап 2. Сборный строительный материал. Изобретение автоклавного газобетона

Так как данный раствор положительно отразился на применении в строительстве, то подобный состав с применением различных добавок - начали применять для создания сборного строительного материала, и как фактор – создание нового, легкого и долговечного строительного материала в виде ячеистых блоков.

В начале XIX века начались первые попытки изготавливать газосиликатные блоки (пенобетон), добавляя бычью кровь, белки животных из костей и рогов или мыльный корень. В результате полученной химической реакции – образовывалась пена и воздушные пузырьки при реакции белка крови и сапонина с ингредиентами раствора, но такой экзотический способ был без особого успеха, так как приводило к случайным изменениям качества сырья и к сильному запаху ^[3]. Со временем, от популяризации портладнцемента – цемент, как вяжущее, постепенно сместило известь и это способствовало большому развитию для легкобетонного строительства ^[2].

Первый, кто получил данный материал при смешивании гипсовых и цементных растворов с применением хлористых и углекислых солей, был ученый Гофман ^[4] из Чехии в 1889 году но развитие данного материала продолжили другие ученые. В то же время, в 1880 году была изобретена технология воздействия на известково-кремнеземнистых компонентах в автоклавном аппарате немецким ученым В. Михаэлисом путем подвергания высокой температурой и под давлением водным паром.

Продолжили получение автоклавного газобетона американцы Аулсворт и Дайер в 1914 году. В роли газообразователя они применили порошки цинка и алюминя, взаимодействованные с гашеной известью. При таком смешивании, выделялся водород, образующий пористую структуру ^[5].

Шведский архитектор Аксель Эрикссон из города Иксхульт с 1917 по 1921 года продолжил разработку данного материала и предложил вспучивать раствор с помощью алюминиевого порошка. Благодаря этому методу в 1929 году запустилось производство газосиликата фирмой «Итонг» и за основу была взята технология В. Михаэлисона. Данная разработка была заключительной и утвержденной, поэтому в данный промежуток истории (начало XX века) - официально был создан газобетон с нормированным составом.

Первое свидетельство подобного метода строительства из блоков было замечено в начале XXв. Один из первых домов, построенный из газобетона в 1939 году в Риге стоит по сей день без отделки и утепления, но стоит помнить, что для каждого региона свой климат и не везде можно сохранить долговечность и тепло здания из ячеистых блоков без отделки и утепления.

Этап 3. Развитие качества и свойств строительного материала

Качество данного материала характеризуется через его состав и использование правильной формы с целью увеличения тепла и экологичности, так как данные критерии влияют на санитарные нормы эксплуатации строения.

Масштабы производства автоклавных газобетонных блоков выросли к середине XX века. В период 1960-1970-х годов и стали развиваться новые технологии и велись исследования взаимодействия различных добавок и способов изготовления на свойства газобетона и характеристики сырья, при этом использовались западные технологии месторождения газобетона как пористого материала, основанные на высокотехнологичном оборудовании и обеспечивающие однородность материала ^[6].

Часть 2. Изменение качественных характеристик газобетона. Современные исследования

Свойства газобетона зависят от его микроструктуры и состава, который зависит от типа используемого связующего, методов порообразования и отверждения. Хотя газобетон изначально задумывался как хороший изоляционный материал, интерес к его структурным характеристикам был возобновлен с учетом его небольшого веса, экономии материалов при производстве и возможностью крупномасштабного использования отходов, таких как пылевидная топливная зола. В центре внимания этого раздела - стоит классификация исследований свойств газобетона по функциональным (теплоизоляция, влажность, долговечность, огнестойкость и звукоизоляция), физическим (микроструктура, плотность), экологическим и механическим (прочность на сжатие и растяжение, модуль упругости, усадка при высыхании) характеристикам.

Рисунок 2 – Ингредиенты газобетона: схема

В таблице 1 предоставлен обзор основной литературы, относящейся к структуре и свойствам газобетона. Данный выбор источников обусловлен необходимостью улучшения качества производства, улучшения характеристик материала, экономичной и экологичной точки зрения.

Таблица 1

Обзор основной литературы, относящейся к структуре и свойствам газобетона

Ц- цемент, И – известь, П – песок, Лз – летучая зола, К – кварц, Ос – отходы сланца, ВО – влажностное отверждение, АК – автоклавирование.

Первая группа

Раствор на основе цемента и песка, при твердении, за счет своей пористой структуры, образует положительные особенности: обеспечение огнестойкости, водопоглощения, теплопроводности и прочности.

Учет воздушных пустот при определении общей пористости чистых ячеистых бетонов позволяет определить единственное соотношение прочности и пористости для цемента. Это соотношение может быть выражено в терминах водоцементного отношения и плотности, что дает простой инструмент для проектирования этих бетонов ^[7] получая при этом конкретные показатели свойств и характеристик автоклавного газобетона.

Сама же теплопроводность газобетона напрямую зависит от влажности конструкции и температуры окружающей среды ^[11]. Были определены общие соотношения: температура/содержание воды/теплопроводность, а так же разработан метод оценки теплопроводности.

Пористая структура обладает более высокой огнестойкостью по сравнению с плотным бетоном ^[12]. Поскольку, продукты автоклавного газобетона выпускаются в широком диапазоне классов плотности (от 300 до 800 кг / м3), и эти вариации в основном вызваны изменением количества искусственных воздушных пор. Расстояния между порами воздуха могут варьироваться от одного миллиметра до нуля, что означает, что поры касаются друг друга или даже связаны ^[13] и как фактор – меняются характеристики водополгащения.

Вторая группа

Использование мелких частиц кварца – уменьшает время автоклавирования материала.

В случае более мелкого кварца, тоберморит образовывается после 0,5 ч автоклавирования, что указывает на то, что более мелкий кварц сокращает время обработки в автоклаве. Кристалличность тоберморита увеличивается с увеличением размера кварцевых частиц, а степень реакции более мелкого кварца была выше, чем у более крупного кварца после коротких периодов автоклавирования, а после более длительных периодов автоклавирования, он стал ниже^[14].

Третья группа

Использование промышленных отходов в качестве сырья – является новой технологией и новой разработкой строительного материала. Эта технология улучшает экологию и делает сырье для производства менее затратным.

Автоклавирование смеси тонкого кремнезистого материала из летучей золы и извести (для связующего вещества) – дает такое преимущество, как преобразование отходов в материальные ценности и при этом сохраняя легкость строительного материала, теплотехнические свойства и несущую способность. Так же, использование летучей золы в блоках имеет следующие преимущества ^{[8, 9]}: экономия затрат на утилизацию, повышает доступность строительного материала с большим количеством тростника и сокращает загрязнение воздуха и воды.

В статье ^[10] рассмотрен настоящий стандарт IS: 3812-1981 и предложены различные химические и физические требования к летучей золе. Принимая во внимание вышеизложенный метод, где большая часть объема цемента из марки М35, можно заменить летучей золой, при этом не затрагивая большую часть несущей способности и параметры обычного бетона, тем самым делая газобетон дешевле и не менее прочнее.

Выводы

По мере развития строительных технологий, газобетон сформировался из монолитного метода в сборно-строительный материал. Первое свидетельство формообразования появилось в XIX веке. Монолитный метод использования раствора – используется по настоящее время.

Качественное изменение строительного материала совершенствуется и характеризуется через его состав и формы исполнения, и это положительно сказывается на его внутренней и внешней экологичности, долговечности и энергоэффективности.

Заключение

Качественное изменение материала положительно сказалось на его экологичности, долговечности и энергоэффективности. Основной ценностью были и остаются его теплоизоляционные качества.

Состав раствора не потерпел существенных изменений, однако появляются и новые методы изготовления газобетона, которые актуальны для возможного применения.