Консультации строителя онлайн.


Сравнение свойств газобетона и пенобетона.

Сравнение свойств газобетона и пенобетона.

Цель настоящей статьи: положить конец неутихающим и неаргументированным спорам на просторах Интернета, о том, какой стеновой материал лучше: пенобетон или газобетон. В этой статье не будет абстрактных рассуждений: мы приведем лишь проверенные факты, полученные при научных исследованиях и опубликованные в специальной литературе.

Пенобетон и газобетон относятся к группе легких бетонов называющихся ячеистыми бетонами. Ячеистый бетон производится из цементного или известкового раствора, в котором воздухсодержащие поры и капилляры образуются в результате действия газо- или пенообразователя. Свойства ячеистых бетонов напрямую зависят от вида, структуры и размеров воздухсодержащей матрицы в их структуре.
Главным достоинством ячеистых бетонов является легкий вес, хорошие теплоизолирующие свойства, огнестойкость. Использование ячеистых бетонов позволяет экономить средства, как на конструктивных материалах, так и на утеплителях.
Ячеистые бетоны производятся различной плотности – от 300 до 1800 кг/м3  в зависимости от назначения – структурный конструкционный газобетон, перегородочный материал или стеновой утеплитель. Интересно, что первоначально, пока их свойства не были изучены как следует, ячеистые бетоны использовались только в качестве утеплителя.

 

Виды ячеистых бетонов:

1.Газобетон
Газобетон производится путем добавления газообразующих компонентов в цементно-песчаный, известково-песчаный или в цементно-известково-песчаный раствор. В качестве компонентов газообразователей используется алюминиевая пудра, перекись водорода или отбеливатель и карбид кальция. В результате химических реакций высвобождаются соответственно водород, кислород или ацетилен. Газообразование приводит к увеличению объема материала. Выходя из материала, газ оставляет многочисленные открытые поры и капилляры относительно большого диаметра (по сравнению с другими видами ячеистых бетонов).

2. Пенобетон
Производство пенобетона гораздо проще и дешевле, по сравнению с более высокотехнологичным газобетонным производством. В процессе производства не происходит никаких химических реакций. Пенобразование в бетонном растворе достигается использованием пенящихся поверхностно активных детергентов (моющих средств), сапонина, или гидролизатов белка (кератина).  Ячеистая структура пенобетона получается при смешивании пенообразующего агента с водой или с цементно-песчаным  раствором. Поскольку при твердении цементного камня газ не покидает материала, образующиеся ячейки имеют закрытую структуру. Из-за отсутствия избыточного давления газа, поры и капилляры образуются только за счет выхода (испарения) из структуры материала воды. Эти поры имеют очень небольшой размер по сравнению с порами в газобетоне.

3.Комбинированный ячеистый бетон
Существует достаточно редкая комбинированная технология, сочетающая газообразование путем введения в состав алюминиевой пудры и пенообразователь (белковый клей). [Rudnai G. Light weight concretes. Budapest: Akademi Kiado, 1963.]
 

Автоклавный и неавтоклавный ячеистый бетон
Исходя из условий ухода за бетоном в процессе твердения (набора прочности) ячеистый бетон может быть автоклавным или неавтоклавным.
Технология ухода за бетоном в процессе набора прочности напрямую определяет итоговую прочность бетона на сжатие, степень усадки, трещинообразование, влагопоглощение.
Набор прочности бетона в стандартных условиях  в присутствии избытка влаги представляет собой достаточно длительный процесс.

Автоклавирование ячеистого бетона (процесс высокотемпературной обработки при повышенном давлении) приводит к потенцированию химических реакций между известью и силикатными / алюминиевыми составляющими материала. В результате происходит образование высокопрочных гидросиликатов кальция типа тоберморита и гидроалюмината или гидрогранатов различного состава. Автоклавирование бетона при температурах 140 - 250 С приводит к повышению устойчивости и прочности его пространственной коагуляционной структуры. Автоклавирование проводят в течение 8-16 часов, а режимы рабочего давления устанавливают впределах 4-16 МПа [RILEM recommended practice. Autoclaved aerated concrete/ Properties, testing and design. E&FN SPON, 1993.] . Автоклавировние значительно сокращает усадку бетона и трещинообразование. [Schubert P. Shrinkage behaviour of aerated concrete. In: Wittmann FH, editor. Autoclaved Aerated Concrete, Moisture and Properties. Amsterdam: Elsevier; 1983. p. 207-217.]

Микроструктура ячеистых бетонов
Способ производства ячеистого бетона (газо- или пенообразование) напрямую оказывает влияние на микроструктуру материала, и, следовательно, на его физические свойства. Структура ячеистого бетона определяется его твердой пространственной микропористой матрицей и наличием макропор.
Макропоры ячеистого бетона образуются благодаря расширению материала под воздействием давления газа. Микропоры образуются в стенках макропор ячеистых бетонов под воздействием влаги. [Alexanderson J. Relations between structure and mechanical properties of autoclaved aerated concrete. Cem Concr Res 1979;9:507-514.]  Микропоры или микрокапилляры в стенках между ячейками бетона имеют диаметр около 50 nm. В структуре ячеситых бетонов также присутствет некоторое количество макрокапилляров диаметром от 50 nm до 50 μm. Макропоры ячеистых бетонов имеют диаметр более чем 60 μm. Наличие макропор в стурктуре ячеистого бетона не снижает его механической прочности на сжатие [Там же]. Свойства ячеистых бетонов зависят от пропорционального распределения в структуре материала пор различного диаметра.  [Prim P, Witmann FH. Structure and water absorption of aerated concrete. In: Wittmann FH, editor. Proceedings Autoclaved Aerated Concrete, Moisture and Properties. Amsterdam: Elsevier; 1983. p. 43-53.]
Структуры автоклавного ячеистого бетона и неавтоклавного газобетона имеют существенные различия, вызванные разницей в режимах гидратации связующего вещества, которые в итоге приводят к различиям в свойствах материалов.
Неавтоклавный ячеистый бетон имеет в своем составе преимущественно мелкие поры и микрокапилляры, формирующиеся под воздействием испаряющейся воды, не задействованной при гидратации цемента или извести. [Tada S, Nakano S. Microstructural approach to properties of moist cellular concrete. In: Wittmann FH, editor. Proceedings Autoclaved Aerated Concrete, Moisture and Properties. Amsterdam: Elsevier; 1983. p. 71-89.]   

Пористость и свойства  ячеистых бетонов
Поскольку пористость ячеистых бетонов может достигать 80%, то такие свойства ячеистых бетонов как прочность на сжатие, паропроницаемость, водопоглощение и степень усадки напрямую зависят от особенностей пористой структуры материала. Соотношение количества пор разного диаметра и структуры зависит от состава сырья и методов ухода за бетоном во время набора прочности.  Чем больше в структуре ячеистого бетона макропор, тем тоньше стенки ячеек, и тем меньше в составе материала микропор. Принудительная сушка ячеистого бетона в печах (не автоклавах) может приводить к разрушению ячеистой структуры [Day RL, Marsh BK. Measurement of porosity in blended cement pastes. Cem Concr Res 1988;18:63 -73]. Плотность ячеистых бетонов зависит от компактности и пористости. Чем больше в структуре ячеистых бетонов макропор, тем меньше плотность материала.

Проницаемость ячеистых бетонов
Проницаемостью ячеистые бетоны обязаны своей пористой структуре. Проницаемость отличается у ячеистых бетонов с открытой и закрытой пористой структурой. Только непрерывно соединяющиеся поры с открытой структурой позволяют газам проникать через всю толщу ячеистого бетона. Для автоклавных ячеистых бетонов такой разницы не наблюдается: хотя структура пор у автоклавного пенобетона и автоклавного газобетона значительно отличается, характеристики проницаемости материалов остаются примерно одинаковыми. Наличие крупных пор не сказывается значительно на увеличении проницаемости материалов. [Jacobs F, Mayer G. Porosity and permeability of autoclaved aerated concrete. In: Wittmann FH, editor. Proceedings Advances in Autoclaved Aerated Concrete. A.A. Balkema, 1992. p. 71-76].

Химические характеристики
При автоклавирвании ячеистого бетона кальций, соединяясь с силикогидратом образует тоберморит. В состав продуктов реакции входит смесь кристаллического, полукристаллического и аморфного тоберморита. Макрокапилляры выстилаются плоскими кристаллами тобеморита с двойной силикатной структурой. Эта структура остается неизменной во времени и при воздействии высоких температур [Mitsuda T, Chan CF. Anomalous tobermorite in autoclaved aerated concrete. Cem Concr Res 1977;7:191-194.]  

Кристаллическая структура неавтоклавного ячеистого бетона меняется в течении пооцесса гидратации: от игольчатых кристаллов к гексагональным и сблокированным кальцитным кристаллам [Tada S, Nakano S. Microstructural approach to properties of moist cellular concrete. In: Wittmann FH, editor. Proceedings Autoclaved Aerated Concrete, Moisture and Properties. Amsterdam: Elsevier; 1983. p. 71-89.]

Прочность ячеистого бетона на сжатие
Состав бетонной смести, способ порообразования, структура пор, их размер, возраст бетона, и водонасыщение оказывают существенное влияние на прочность ячеистого бетона. Сокращение плотности ячеистого бетона из-за увеличения количества макропор приводит к снижению прочности материала [Pospisil F, Jambor J, Belko J. Unit weight reduction of  fly ash aerated concrete. In: Wittmann FH, editor. Advances in Autoclaved Aerated Concrete. A.A. Balkema, 1992. p. 43-52. ]  Прочность на сжатие ячеиcтого бетона уваеличивается линейно с увеличением плотности материала. Автоклавирование  значительно увеличивает прочность ячеистого бетона на сжатие за счет образования стабильных форм тоберморита [Rudnai G. Light weight concretes. Budapest: Akademi Kiado, 1963.]

Таблица. Физические характеристики автоклавного газобетона в зависимости от плотности материала*

Плотность в сухом состоянии (кг/м3)

Прочность на сжатие (МПа)

Модуль эластичности (кН/мм2)

Теплопроводность (Вт°C)

400

1,3-2,8

0,18-1,17

0,07-0,11

500

2,0-4,4

1,24-1,84

0,08-0,13

600

2,8-6,3

1,76-2,64

0,11-0,17

700

3,9-8,5

2,42-3,58

0,13-0,21

* N. Narayanan, K. Ramamurthy.  Structure and properties of aerated concrete: a review  Cement & Concrete Composites 22 (2000) 321±329, Таблица 2

 

Прочность неавтоклавного газобетона увеличивается на 30-80% в период между 28 днями и 6 месяцами с момента производства, частично за счет процессов карбонации [Hanecka C, Koronthalyova O, Matiasovsky P. The carbonation of autoclaved aerated concrete. Cem Concr Res 1997;27:589-99].  Прочность ячеистых бетонов на сжатие в значительной мере зависит от содержания влаги в материале и возрастает по мере просушки ячеистого бетона [Houst Y, Alou F, Wittmann FH. In¯uence of moisture content on the mechanical properties of autoclaved aerated concrete. In: Wittmann FH, editor. Proceedings Autoclaved Aerated Concrete, Moisture and Properties. Amsterdam: Elsevier; 1983. p. 219-233.]
Прочность как автоклавных так и неавтоклавнх ячеистых бетонов возрастает при равной плотности с использованием золы [Ramamurthy K, Narayanan N. Infuence of  fly ash on the Conference on Waste as Secondary Sources of Building Materials. New Delhi: BMTPC, 1999. p. 276-282].или молотого сланца [Watson KL, Eden NB, Farrant JR. Autoclaved aerated materials from slate powder and portland cement. Precast Concr 1977:81-85 ] в качестве инертного наполнителя.

Порочность ячеистого бетона на растяжение и изгиб
По разным данным прочность на разрыв для ячеистого бетона составляет от 10 до 35%  от прочности на сжатие. [Legatski LA. Cellular concrete, significance of tests and properties of concrete and concrete making materials. In: Klieger PK, Lamond JF, editors. ASTM Special Technical Publication. Philadelphia, No. 169C. p. 533-539.]

Прочность на изгиб для ячеистых бетонов низкой плотности стремится к нулю. Для ячеистых бетонов конструкционной плотности прочность на изгиб составляет 22-27% от прочности на сжатие. [Valore RC. Cellular concretes-physical properties. J Am Concr Inst 1954;25:817-836.]

Усадка ячеистых бетонов при высыхании
Усадка ячеистых бетонов происходит из-за потери несвязанной в процессе гидратации воды. К образованию трещин больше склонны ячеистые бетоны с большим удельным количеством микропор (неавтоклавный пенобетон). [ Ziembika H. Effect of micropore structure on cellular concrete shrinkage. Cem Concr Res 1977;7:323-332.] Ячеистый бетон имеющий в составе один только цемент (без добавления извести) гораздо более склонен к образованию трещин. Добавление пластификаторов в цементные растворы не приводит к снижению трещинообразования. Набор прочности ячеистым бетоном без автоклавирования в недостатке влаги (менее 20% от объема)ведет к образованию трещин. Автоклавирование предупреждает образование трещин из-за образования прочных тоберморитовых кристаллических структур. При этом уменьшение пористости ведет к уменьшению прочности и увеличению образования трещин, т.к. пористость напрямую связана с количеством образованного кристаллического тоберморита.

Капилляры ячеистого бетона и водопоглощение
Пористая и капиллярная структура ячеистого бетона обуславливает сильное взаимодействие материала с водой и водяными парами. В сухом состоянии поры ячеистого бетона открыты, и через них преобладает транспорт водяных паров. При увеличении влажности мелкие поры заполняются влагой, и транспорт водяных паров существенно снижается. При контакте с водой включаются механизмы капиллярного подсоса влаги за счет механизмов сорбции и гигроскопичности. [Prim P, Witmann FH. Structure and water absorption of aerated concrete. In: Wittmann FH, editor. Proceedings Autoclaved Aerated Concrete, Moisture and Properties. Amsterdam: Elsevier; 1983. p. 43-53.]

Долговечность ячеистых бетонов
Автоклавный газобетон  преимущественно состоит из прочного стабильного тоберморита, который гораздо прочнее и долговечнее, чем материал неавтоклавных ячеистых бетонов (пенобетона).

С другой стороны высокая проницаемость автоклавного  газобетона для газов и влаги может привести к ускоренном разрушению основы материала. [RILEM recommended practice. Autoclaved aerated concrete /Properties, testing and design. E&FN SPON, 1993.]  Повреждение ячеистого бетона под воздействием замораживания возможно только при водонасыщении материала не ниже 20-40%. При большем водонасыщении и замораживании  ячеистый бетон разрушается. [Roulet CA. Expansion of aerated concrete due to frost /Determination of critical saturation. In: Wittmann FH, editor. Proceedings Autoclaved Aerated Concrete, Moisture and Properties. Amsterdam: Elsevier; 1983. p. 157-169].  Под воздействием атмосферного углекислого газа и процессов карбонизации плотность и прочность ячеистых бетонов может незначительно увеличиваться со временем.

Долговечность конструкций газобетонной кладки снижается при переувалжнении и промерзании при облицовке отапливаемых зданий кирпичом без вентилируемого воздушного зазора, либо при наружном утеплении газобетона паронепроницаемым ЭППС.

Теплопроводность ячеистых бетонов
Теплопроводность ячеистого бетона напрямую зависит от плотности, влажности и состава материала. Более мелкие поры обеспечивают меньшую теплопроводность. [Bave G. Aerated light weight concrete-current technology. In:Proceedings of the Second International Symposium on Lightweight Concretes. London, 1980. ]  Увеличение влажности ячеистого бетона на 1% приводит к увеличению теплопроводности на 42%. Поэтому так важно не допускать увлажнения ячеистых бетонов при наружной отделке пенополистиролом и другими непаропронцаемыми материалами. [RILEM recommended practice. Autoclaved aerated concrete /Properties, testing and design. E&FN SPON, 1993]

Огнестойкость ячеистых бетонов
Огнестойкость ячеистых бетонов гораздо выше, чем обычного тяжелого бетона. [Valore RC. Cellular concretes-physical properties. J Am Concr Inst 1954;25:817-836.]  Это в значительной мере обусловлено гомогенной структурой без разнородных включений, как в тяжелом бетоне, что приводит к образованию трещин из-за разного расширения элементов тяжелого бетона при нагревании. Лучшей устойчивостью к огню из-за меньшей газопроводимости и теплопроводности обладают ячеистые бетоны с закрытой ячеистой структурой.

Предварительные выводы:

  1. Способ производства ячеистого бетона и режима набора прочности влияет на ячеистую структуру материала и определяет его физические свойства.
  2. Физические свойства ячеистого бетона зависят от его плотности и влагонасыщения.
  3. Химический состав ячеистого бетона засвистит от режима ухода за бетоном при наборе прочности. Автоклавный ячеистый бетон гораздо более прочный и долговечный, по сравнению с неавтоклавным из-за образования прочной кристаллической решетки тоберморита.
  4. Автоклавный ячеистый бетон в 4-5 раз менее склонен к образованию трещин.

Окончательный вывод:

Критерием выбора стенового материала должен быть не способ образования ячеистой структуры бетона – пенообразование (пенобетон) или газообразование (газобетон). Критерием выбора  стенового материала должно быть наличие стадии автоклавирования при производстве  ячеистого бетона, так как неавтоклавные ячеистые бетоны обладают худшими физическими свойствами по сравнению с автоклавными.  

Прочтите о расчете толщины стены дома из газобетона.