Ожидания относительно успешного применения легкого бетона с заполнителем из пенополистирола оправдались только в некоторых специальных областях применения. Попытаемся описать их решающее влияние и их отношение к дальнейшему развитию применения такого бетона на практике.

Взгляд в прошлое

Уже через несколько лет после изобретения пенополистирола провели первые ориентировочные испытания по использованию пластика в качестве заполнителя для производства легкого бетона.

Так как высокая стоимость данного сырья первоначально не позволила рентабельно использовать его в качестве легкого заполнителя, в конце 1967 года начались новые исследования и их интенсивность стала постепенно увеличиваться. К этому времени легкие заполнители из пенополистирола стали интересной альтернативой легким минеральным заполнителям, даже несмотря на их цену, и стал наблюдаться растущий интерес к таким строительным материалам. Чтобы создать необходимые предпосылки для их выхода на рынок были предприняты следующие меры:

- разработка рецептур различных бетонных смесей, позволяющая воспроизводить их на практике;

- подтверждение всех важных характеристик строительного материала испытаниями, проведенными официальными испытательными организациями;

- разработка и распространение способов приготовления и укладки;

- выполнение и оценка практических испытаний с целью подтверждения успешности применения;

- помощь и технические консультации для производителей материалов в отношении разработки производственных систем и подачи заявок на получение протоколов приемочных испытаний от органов строительного надзора.

На практическую реализацию этих разработок в строительстве повлиял разразившийся в последующие годы энергетический кризис, который оказал существенное воздействие не только на цену пенополистирола, но кроме того и на экономическое развитие в строительном секторе, а также на строительное законодательство.

Решающее влияние оказали следующие факторы, каждый из которых сыграл роль в дальнейшем развитии применения материала в строительной практике:

а) Нормативы, заложенные стандартами, указанными в строительном законодательстве.

б) Влияние закона об экономии энергии и нормативов по теплоизоляции на требования в отношении теплоизоляции зданий.

в) Тенденции изменения цен на пенополистирол, которые сделали его конкурентоспособным по отношению к строительным материалам, обладающих сравнимыми характеристиками.

Строительное законодательство

Легкий бетон с заполнителем из пенополистирола пока еще не включен в качестве легкого конструкционного бетона в соответствующий немецкий стандарт DIN (теперь в новых нормативах ONORM В 4200 Т.11 от сентября 1991 г. «Легкий бетон, производство и контроль» появилось упоминание о легком бетоне с заполнителем из пенополистирола в Таб. 4 «Ориентировочные значения теплопроводности...»). Однако герметизирующие и легкие штукатурки, содержащие пенополистирол, стандартизированы в документе DIN 18550, Часть 3 от марта 1991 г. Из-за недостаточной прочности зерен пенополистирольных заполнителей невозможно включение их в стандарт DIN 4226 BI.2 «Заполнители для легкого бетона». Кроме того, данный стандарт имеет отношение только к минеральным заполнителям. Следовательно, отсутствуют подтверждение того, что такой бетон считается одобренным строительным материалом, соответствующим требованиям современной технологии. Однако в соответствии со строительным законодательством Германии такое подтверждение должно иметься обязательно. Только одобрение органов строительного надзора, которое должно быть получено для каждой из многочисленных областей применения, позволит применять легкий бетон с пенополистирольными заполнителями на практике. Это означает, что производитель должен понести значительные финансовые затраты для доказательства наличия требующихся характеристик конструкционных элементов и систем.

Характеристика пенополистирольного заполнителя

Легкий пенополистирольный заполнитель обладает следующими характерными свойствами:

- чрезвычайно малая объемная масса;

- хорошая теплоизоляция вспененных частиц пластика;

- структура с закрытыми порами, благодаря которой практически отсутствует поглощение воды;

- сферическая форма, являющаяся предпочтительной с точки зрения статических нагрузок, что важно для разработки растворной части бетонной смеси, обладающей достаточной прочностью при сжатии.

Однако в диапазоне низких объемных плотностей гидрофобные свойства легких пенополистирольных заполнителей с закрытыми порами могут оказывать неблагоприятное влияние, так как малая прочность сцепления между цементным тестом и поверхностью частиц может вести к расслаиванию бетона во время приготовления и укладки. В первые годы практического применения этому эффекту противодействовали введением добавок, улучшающих прочность сцепления. Посредством разработки специальных процедур смесей с применением подходящих добавок даже оказывается возможно производить легкий бетон с пенополистирольным заполнителем, попадающий в диапазон консистенции от К3 до К5 (от пластичного до очень мягкого бетона) без проявления какого-либо расслоения.

Отходы пенополистирола («повторно используемый материал») в качестве легкого заполнителя

В Германии в настоящее время для изготовления упаковочных материалов ежегодно используется около 35000 тонн сырья для производства пенополистирола, из которого получается пенополистирол в объеме приблизительно 1,8 миллиона кубометров. Эти упаковочные материалы содержат 98 % воздуха, не содержат ни в каких количествах фторхлоруглеводородов и могут подвергаться переработке для того, чтобы вновь послужить какой-либо разумной цели.

В этой связи были разработаны системы для вторичной переработки пенополистирола, позволяющие обеспечить полную утилизацию использованных упаковочных материалов, получаемых от промышленных, торговых предприятий и от частных потребителей. Использованный упаковочный материал перерабатывается фирмами по переработке пенополистирола и возвращается в производственный цикл или превращается в сырьевой полистирол.

Раздробленный на мелкие кусочки упаковочный материал из пенополистирола также используется в сельском хозяйстве и растениеводстве для разрыхления почвы и при приготовлении компоста. Мелкозернистый «измельченный материал», изготавливаемый из отходов производства пенополистирольной упаковки, также пригоден для использования при производстве строительных материалов: в качестве порообразующего вещества для производства пористого кирпича и в качестве легкого заполнителя для производства легкого бетона с пенополистирольным заполнителем.

Требования к качеству

Для использования измельченного пенополистирола в качестве легкого заполнителя требуется выполнение отдельных требований с целью предотвращения снижения качества бетона: в том, что касается размеров и формы зерен, различия между «измельченным материалом» и свежими вспененными частицами пенополистирола должны быть настолько малы, насколько это возможно.

Большая часть зерен должна иметь круглую форму.

Большая часть зерен должна иметь размеры, находящиеся в диапазоне от 0,5 мм до 4,0 мм.

В измельченном материале должны отсутствовать очень мелкие частицы.

Эти требования к качеству могут быть легко удовлетворены, так как:

- посредством использования соответствующих дробилок частицы пенополистирола могут быть отделены друг от друга в точках, в которых они сплавились между собой, так что первоначальная сферическая форма зерен в очень большой степени сохраняется.

- Размер частиц гранул пенополистирола, используемого для производства упаковочных материалов, обычно соответствует размеру, требующемуся для легкого пенополистирольного заполнителя, изготовленного из «свежего материала». Это также достижимо при помощи использования соответствующих сит в дробилке.

Пропорции смешивания и сравнение свойств

В более ранних публикациях уже были подробно описаны приготовление, пропорции смешивания и диапазон свойств бетона с пенополитирольным заполнителем, имеющего объемную массу в диапазоне от 300 до 1600 кг/м³.

Нижеследующие объяснения относятся (по упомянутым выше причинам) к специальным выводам по технологии производства бетона, относящиеся к производству бетона с объемной массой от 200 до 600 кг/м³ (сухая объемная масса), обладающего хорошими теплоизолирующими свойствами и имеющего малую массу.

В отличие от легкого бетона с пенополистирольным заполнителем, имеющего более высокую плотность, в данном случае требуется рассмотреть некоторые специальные особенности, которые оказывают существенное влияние на однородность смеси, удобоукладываемость и подачу бетона, а также на тенденцию к трещинообразованию от усадки и расслоению.

Решающее влияние на свойства свежего бетона в случае легкого бетона с пенополистирольным заполнителем оказывает то, что очень большую часть его объема составляют частицы пенополистирола. В диапазоне объемной массы меньше 600 кг/м³ количество цементного раствора недостаточно для того, чтобы полностью заполнить объем «пазух» легкого заполнителя. Без внесения соответствующих добавок легкий бетон с пенополистирольным заполнителем в этом диапазоне объемной плотности можно укладывать и уплотнять только с большим трудом из-за его в основном несвязного характера. Добавление большего количества воды будет вести к уменьшению прочности при сжатии и усилению тенденции к трещинообразованию от усадки и расслоению.

Чтобы узнать, как можно улучшить удобоукладываемость и уплотняемость бетона, проводились испытания с внесением в бетон различных добавок. В результате оказалось, что наибольшие преимущества обеспечивают добавки, содержащие воздухововлекающие компоненты, а также компоненты для стабилизации и разжижения бетонной смеси.

Добавки к бетонной смеси

Воздухововлекающие вещества или пенообразователи

Их основу по большей части составляют смоляные (канифольные) мыла или сульфонаты и они добавляются в бетонную смесь в порошковой или жидкой форме. При помощи создания очень маленьких сферических воздушных пузырей (с диаметрами до 0,3 мм) объем цементного раствора увеличивается и уменьшается различие в плотности между цементным раствором и легким пенополистирольным заполнителем. Смесь приобретает пластичную вязкую консистенцию. Благодаря этому предотвращается всплытие пенополистирольного заполнителя даже в случае интенсивного виброуплотнения и удобоукладываемость свежего бетона значительно улучшается. Особое положение занимают белковые пенообразователи, используемые при механическом производстве воздушных пен. Они характеризуются очень стабильной структурой пены. Подвижность и великолепная адгезия этих воздушных пен оказывают исключительно благоприятное воздействие на удобоукладываемость легкого бетона с пенополистирольным заполнителем даже в случае относительно малых водоцементных отношений.
Пена добавляется в бетономешалку во время приготовления смеси, для чего используется пеногенератор.

Пластификатор или смешивающее вещество

Они изготавливаются по большей части на основе солей лигносульфоновой кислоты или полимеров. Они добавляются для уменьшения содержания воды в бетоне в той степени, в которой это требуется для получения определенной консистенции или удобоукладываемости (и, таким образом, для увеличения прочности) или - при неизменном содержании воды - для улучшения удобоукладываемости свежего бетона.

В случае легкого бетона с пенополистирольным заполнителем добавление платификаторов рекомендуется в случае, когда требуется получить консистенцию смеси, обладающую очень хорошей текучестью (например, для выравнивания покрытия пола). Однако необходимо обеспечить, чтобы пластификатор был совместим с используемым воздухововлекающим веществом.

Комбинированные добавки

Специально для производства и укладки легкого бетона с пенополистирольным заполнителем были разработаны добавки к бетону, сочетающие свойства воздухововлекающих веществ, пластификаторов, стабилизаторов и тиксотропных веществ. Такие добавки были успешно применены на практике.

Наполнители

Пригодными для использования в качестве наполнителей проявили себя бутовая мука, кирпичная мука, извлеченная из фильтров пыль и т.п., совместимые с цементом, особенно если они содержат стеклообразные компоненты. Однако наиболее эффективной мерой для увеличения прочности является добавлением цемента в достаточно большой пропорции, в то время как тяжелые наполнители могут добавляться только в ограниченных количествах, за исключением случаев, когда приемлемо увеличение объемной массы.

Эластичные пенополистирольные заполнители и относительно высокая пропорция воздушных пузырей не могут противодействовать усадке затвердевшего цементного теста. Однако влияние излишне большой усадки во время схватывания и тенденцию к образованию трещин можно уменьшить, поддерживая бетон влажным в течение достаточно длительного времени. На практике, однако, очень эффективным оказалось добавление в смесь совместимых с цементом армирующих волокон. Армирующие волокна в затвердевшем скелете из цементного теста в легком бетоне с пенополистирольным заполнителем принимают на себя напряжения, возникающие при растягивающей усадке и изменении температуры во время схватывания и твердения бетона, уменьшая тем самым тенденцию к образованию трещин и значительно увеличивая у легкого бетона с пенополистирольным заполнителем прочность на растяжение при изгибе.

Стекловолокно

Для добавления в бетон с полипропиленовым заполнителем пригодны разновидности щелочестойкого стекловолокна с длиной волокон около 30 мм. Требующееся количество составляет приблизительно от 1 % до 2 % по объему (по отношению к объему цементного раствора), что в пересчете на массу составляет от 10 до 20 кг на кубометр свежего бетона. Однако сравнительно высокая стоимость этого стекловолокна не позволяет получать экономически приемлемые результаты, если его использовать для производства легкого бетона с пенополистирольным заполнителем при равномерным распределении волокна по всему поперечному сечению бетона. Но армирование стекловолокном покровных слоев цемента, которые в случае конструкционных элементов из легкого бетона с пенополистирольным заполнителем наносятся способом «свежий на свежий» зарекомендовало себя технически полезным, а также экономичным решением. Сравнительные испытания показали, что тонкие покровные слои стеклофибробетона на конструкционных элементах из легкого бетона с пенополистирольным заполнителем с низкой объемной массой дают результаты, сравнимые с достигаемыми при использовании значительно более толстых слоев облицовочного бетона, состоящего из обычного бетона со стальной арматурой.
 
Таблица 1. Составы смеси из легкого бетона с пенополистирольным заполнителем (примерно на 1 м3 уплотненного бетона)

Сплетенные полипропиленовые волокна

Это синтетическое волокно используется для армирования компонентов, подвергаемых цементации. Несмотря на меньшее значение модуля упругости и большее растяжение (по сравнению со стекловолокном) уже доказано, что оно очень хорошо предотвращает трещинообразование от усадки и улучшает прочность на растяжение затвердевшего бетона при добавлении его в количествах от 0,6 кг до 1,2 кг на кубометр бетона.

Было доказано, что в случае легкого бетона с пенополистирольным заполнителем, имеющего объемную массу меньше 600 кг/м³, добавление 0,6 кг/м³ сетчатых полипропиленовых волокон (длиной 24 мм) приносит преимущества с точки зрения технологии производства бетона и с экономической точки зрения.

Проведенные испытание легкого бетона с пенополистирольным заполнителем показали, что введение следующих добавок/наполнителей приводит к существенному улучшению свойств бетона.

Приготовление и состав смеси
 
Для приготовления бетона пригодны баросмесители с принудительным перемешиванием. Гравитационные бетоносмесители пригодны только условно. Сначала дозируются по объему пенополистирольные заполнители и смачиваются частью воды затворения, затем добавляется цемент и, при необходимости, песок, а также другие добавки и остальная часть воды затворения. Время смешивания должно составлять примерно 120 секунд. В качестве справочного руководства по составу смеси для приготовления бетона с объемной массой ниже 600 кг/м (сухой объемной массой) можно использовать рецептуры смеси и ее характерные свойства, указанные в Табл. 1. Объемная дозировка пенополистирольного заполнителя может изменяться в определенных пределах в зависимости от того, используется ли свежий вспенный материал или «измельченный материал». Кроме того на количество используемого пенополистирола оказывает влияние объем воздушных пузырьков, образованных фактически добавленным количеством воздухововлекающего вещества и пенообразователя. Корректировка количеств этих компонентов смеси может быть сделана при помощи проверки объемной массы свежего бетона.

Наиболее важные характеристики бетона, зависящие от сухой объемной массы (номинальной объемной массы), приведены в Табл. 2.

Применение на практике
 
Как уже упоминалось, с сегодняшней точки зрения наиболее интересными являются такие случаи применения, которые основаны на использовании отличительных характеристик легкого бетона с пенополистирольным заполнителем, особенно его хорошей теплоизоляции, удобоукладываемости в качестве уплотняющего состава и отличной огнестойкости.

Например, легкий бетон с пенополистирольным заполнителем используется в качестве бетона для заполнения и выравнивания в системах для строительства тротуаров, а также в качестве теплоизоляционного черного пола при настилке пола для зала, подверженного большой нагрузке, в качестве бетона для заполнения боковых пазух в прорезях для трубопроводов. Доставка на стройплощадку может осуществляться либо в виде товарного строительного раствора в мешках или ведрах, либо в виде бетонной смеси заводского изготовления в автобетоносмесителях. Еще одним преимуществом легкого бетона/раствора с пенополистирольным заполнителем является является их хорошая удобоперекачиваемость на большие расстояния.

При строительстве зданий легкий бетон с пенополистирольным заполнителем используется в качестве теплоизоляционных панелей стенового заполнения в каркасных конструкциях зданий или в сочетании с несущими элементами строительных конструкций.

Перспективы
 
Легкий бетон с пенополистирольным заполнителем и объемной массой в диапазоне от 200 до 600 кг/м3 обеспечивает диапазон характеристик, позволяющих реализовать новые системы во многих областях современного строительства.

Приготовление и укладкой легкого бетона с пенополистирольным заполнителем можно осуществлять с использованием оборудования, обычно применяемого в бетонной промышленности и промышленности сборного железобетона. Кроме того, использование материала из переработанного пенополистирола в качестве легкого заполнителя обеспечивает экономичный и интересный с точки зрения экологии способ повторного использования упаковки из пенополистирола.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка цемента и газобетона можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок цемента в России» и «Рынок газобетона автоклавного и неавтоклавного способов твердения в России».

www.newchemistry.ru