Крупнопористый бетон

Крупнопо́ристый бето́н - бетон, у которого пространство между зернами крупного заполнителя не полностью заполнено мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим, .

ГОСТ Р 56506 дополнительно дает определение: крупнопористый (беспесчаный) керамзитобетон - беспесчаный легкий бетон, в котором керамзитовый гравий или щебень скреплен небольшим количеством цементного камня, который, обволакивая тонким слоем зерна заполнителя, не заполняет пустотность между зернами заполнителя.

ГОСТ 20910 дополнительно дает определение: крупнопористые бетоны - бетоны, у которых пространство между зернами крупного и мелкого заполнителя не полностью заполнено или совсем не заполнено мелкими заполнителями и затвердевшими вяжущими, поризованными добавками, регулирующими пористость в объеме не более 6 %.

ГОСТ 25820 дополнительно дает определение: бетон крупнопористой структуры (крупнопористый) - беспесчаный бетон, в котором крупный пористый заполнитель скреплен небольшим количеством цементного камня, который, обволакивая тонким слоем зерна крупного заполнителя, не заполняет межзерновую пустотность заполнителя. Структура крупнопористого бетона характеризуется зернистым строением и открытой непрерывной (сквозной) пористостью..

Также см. Проницаемый бетон

Свойства и состав

В зависимости от вида крупного заполнителя различают крупнопористый бетон на плотных и на пористых заполнителях.

В зависимости от наличия в крупнопористом бетоне мелкого заполнителя (песка) он подразделяется на беспесчаный и малопесчаный.

В зависимости от назначения крупнопористый бетон подразделяется на:

• теплоизоляционный;
• конструкционно-теплоизоляционный (стеновой);
• фильтрационный;
• звукопоглощающий.

Основными требованиями к свойствам крупнопористого бетона в зависимости от его назначения являются:

• для теплоизоляционного – ограничение теплопроводности и объемной массы;
• для конструкционно-теплоизоляционного – то же, и обеспечение необходимой прочности;
• для фильтрационного – обеспечение необходимых фильтрационно-суффозионных свойств и долговечности;
• для звукопоглощающего – обеспечение необходимых акустических характеристик.

Крупнопористый бетон специфичен, на него не распространяются требования ГОСТ 26633 и ГОСТ Р 57345-2016/EN 206-1:2013 "Бетон. Общие технические условия". На конструкции из крупнопористых бетонов не распространяются требования СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения" СНиП 52-01-2003, СП 468.1325800.2019 "Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности", СП 266.1325800.2016 "Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования".

На бетонные смеси крупнопористых бетонов не распространяются требования ГОСТ 10181-2014 "Смеси бетонные. Методы испытаний".

Средняя плотность крупнопористого бетона на 500–700 кг/м³ меньше по сравнению с аналогичным бетоном слитного строения (с песком). Наиболее эффективен крупнопористый бетон, изготовленный на основе пористых заполнителей (керамзит, шлаковая пемза и др.); плотность такого крупнопористого бетона 400–600 кг/м³. Также известен крупнопористый бетон на органических заполнителях - крупнопористый арболит: легкий бетон на цементном вяжущем и органических заполнителях растительного происхождения, пространство между частицами органического заполнителя которого не полностью заполнено затвердевшим цементным вяжущим.

Прочность на сжатие крупнопористых бетонов: В1; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5

Вяжущие

В качестве вяжущего в крупнопористом бетоне применяют портландцемент (в основном), синтетические смолы и др. Крупнопористый бетон характеризуется пониженным расходом цемента (до 150 кг/м³), используемого лишь для склеивания зёрен крупного заполнителя; пространство между зёрнами остаётся свободным, что и формирует крупнопористую структуру бетона. В качестве вяжущего для крупнопористого бетона на пористых заполнителях, прочность которых ниже прочности цементного камня в бетоне, наиболее целесообразно применять портландцемент низких марок. Применение высокомарочного цемента в этом случае не позволяет уменьшить его расход или повысить прочность бетона.

Для получения крупнопористого бетона требуемой прочности при минимальном расходе цемента минимальная прочность заполнителя R_з^мин, МПа, должна быть не менее:

[math]\displaystyle{ R_{\text{з}}^{\text{мин}} = 1200 \frac{R_{\text{б}}}{\text{Ц}} }[/math] (1)

где: 1200 — эмпирический коэффициент пропорциональности;

R_б — требуемая прочность при сжатии крупнопористого бетона, МПа;

Ц — расход цемента на 1 м³ крупнопористого бетона, кг.

Заполнители

Заполнителем служат (преимущественно однофракционные) пористые или плотные гравий и щебень (реже). Выбор заполнителя (гравия или щебня) следует производить, исходя из местных условий и экономической целесообразности. При этом необходимо учитывать следующее: с одной стороны, крупнопористый бетон на гравии может быть получен при меньшем расходе цемента, чем крупнопористый бетон такой же прочности на щебне; с другой – крупнопористый бетон на щебне обладает меньшей объемной массой, меньшей теплопроводностью, большим коэффициентом фильтрации, чем равнопрочный крупнопористый бетон на гравии.

В том случае, когда основным требованием к крупнопористому бетону является малая теплопроводность или ограничение объемной массы, следует применять искусственные или природные пористые заполнители. В других случаях предпочтительнее использовать плотные (высокопрочные) природные заполнители, применение которых позволяет получать бетоны требуемой прочности при меньшем расходе цемента.

Крупный заполнитель следует применять, как правило, однофракционный: 5–10, 10–20 или 20–40 мм. Допускается также применять заполнители иного зернового состава, например, 2,5–10; 5–20 мм. Наибольшая крупность зерен заполнителя не должна превышать 1/4 наименьшего размера сечения бетонируемой конструкции.

Состав

При выборе зернового состава заполнителя следует исходить из того факта, что в крупнопористом бетоне влияние заполнителя на свойства готового материала больше, чем в обычном плотном бетоне: в частности, чем крупнее заполнитель, тем крупнее поры бетона. Для фильтрационного крупнопористого бетона крупность пор следует назначать в зависимости от фильтрационно-суффозионных требований, а для теплоизоляционного – необходимо учитывать, что с увеличением крупности пор его теплопроводность увеличивается.

Расход крупного заполнителя в крупнопористом бетоне не зависит от расхода цемента и соответствует объемной насыпной массе заполнителя в виброуплотненном состоянии (для различных видов заполнителей это составляет 1,05–1,15 объемной насыпной массы).

Прочность крупнопористого бетона прямо пропорциональна площади контактов, образующихся при уплотнении бетонной смеси за счет вытеснения цементного теста, обволакивающего зерна заполнителя при их сближении, поэтому она пропорциональна толщине обволакивающей заполнитель пленки цементного теста.

Толщина пленки цементного теста, обволакивающей зерна заполнителя в крупнопористом бетоне, зависит от расхода цемента и воды и определяется вязкостью цементного теста. Вязкость цементного теста определяется его водоцементным отношением и водопотребностью используемого цемента. Ее можно регулировать посредством введения пластифицирующих добавок. Цементное тесто должно удерживаться на поверхности зерен заполнителя в виде стабильной пленки, что является условием сохранения однородности и нерасслаиваемости бетонной смеси в процессе ее транспортирования, укладки и уплотнения.

Расход цементного теста по объему на 1 м³ крупнопористого бетона определяется как произведение толщины обволакивающей пленки на суммарную поверхность зерен заполнителя. Чем крупнее заполнитель и меньше его удельная поверхность, тем меньше расход цемента для получения конструкционного шлакопемзобетона. Однако прочность бетона при этом соответственно уменьшается в связи с уменьшением числа контактов между зернами заполнителя, приходящихся на единицу площади сечения бетона.

При одинаковом расходе цемента прочность крупнопористого бетона не зависит от крупности заполнителя, если ее изменение не сопровождается изменением прочности, формы зерен и других свойств заполнителя. Прочность крупнопористого бетона на основе одних и тех же материалов прямо пропорциональна величине расхода цемента.

Ориентировочный расход цемента Ц, кг, для предварительного расчета состава крупнопористого бетона заданной прочности на плотном гравии, прочность которого заведомо больше возможной прочности цементного камня, рекомендуется определять по формуле:

[math]\displaystyle{ Ц = 1000 \frac{R_б}{R_ц} }[/math] (2)

где 1000 – эмпирический коэффициент пропорциональности;
R_б – требуемая прочность при сжатии крупнопористого бетона, МПа;
R_ц – активность цемента, МПа.

При использовании в качестве заполнителя для крупнопористого бетона щебня из высокопрочных горных пород ориентировочный расход цемента рекомендуется определять по формуле (2) с увеличением на 15% для компенсации фактора неоднородности формирующихся между зернами щебня контактов. При повышенном содержании в щебне зерен пластинчатой и игловатой форм расход цемента увеличивается.

Ориентировочный расход цемента для предварительного расчета состава крупнопористого бетона заданной прочности на керамзитовом гравии или других подобных искусственных пористых заполнителях, прочность которых меньше возможной прочности цементного камня, рекомендуется определять по формуле:

[math]\displaystyle{ Ц = 150 \frac{R_б}{6_3} }[/math] (3)

где 150 – эмпирический коэффициент пропорциональности;
R_б – требуемая прочность при сжатии крупнопористого бетона, МПа;
б₃ – прочность заполнителя при сдавливании в стальном цилиндре по ГОСТ 9758, МПа.

При использовании щебневидных пористых заполнителей (типа шлаковой пемзы, аглопорита), характеризуемых развитой поверхностью и большой открытой пористостью, необходимо предусматривать увеличение расхода цемента из расчета заполнения цементным тестом открытых пор и выравнивания поверхности.

Ориентировочный расход цемента для крупнопористого бетона заданной объемной массы рекомендуется определять по формуле:

[math]\displaystyle{ Ц = \frac{Y_6 - Y_3}{a} }[/math] (4)

где Y_б – требуемая объемная масса крупнопористого бетона, кг/м³;
Y_з – объемная насыпная масса заполнителя, кг/м³;
а – коэффициент, учитывающий водосодержание смеси (при определении объемной массы крупнопористого бетона в сухом состоянии а = 1,15; для свежеприготовленного бетона а = 1 + В/Ц).

Подбор состава беспесчаного крупнопористого бетона рекомендуется вести на основе опытных замесов в следующей последовательности:

а) приготовить цементное тесто с одним из значений В/Ц, лежащим в пределах 0,4–0,5;

б) смешать цементное тесто с заполнителем;

в) полученную смесь просеять через сито с размером отверстий меньше наименьшего размера зерен заполнителя для отделения избытка цементного теста;

г) из оставшейся на сите смеси изготовить опытные образцы и уточнить состав бетона по фактическому выходу бетонной смеси;

д) указанным образом приготовить еще один или два замеса с иным водоцементным отношением цементного теста;

е) после твердения в заданных условиях и испытания образцов на прочность построить:

• график зависимости прочности бетона от расхода цемента;
• график зависимости расхода цемента от В/Ц цементного теста;

ж) по графикам уточнить расход цемента, необходимый для получения крупнопористого бетона заданной прочности, и водоцементное отношение, обеспечивающее данный расход цемента при равномерном обволакивании зерен заполнителя цементным тестом.

Для малопесчаного крупнопористого бетона добавку песка следует применять с целью обеспечения структуры бетона с меньшей крупностью пор и экономии цемента. При этом расход песка не должен превышать содержания в бетонной смеси цементного теста по объему.

Изделия и конструкции из крупнопористого бетона

Крупнопористый бетон применяют в производстве сборных и монолитных конструкций для зданий и сооружений промышленного, гражданского, жилищного, сельскохозяйственного, гидротехнического, дорожного, мелиоративного и водохозяйственного строительства. Крупнопористый бетон рекомендуется применять, как правило, в неармированных элементах конструкций. Армирование допускается лишь конструктивное при условии соблюдения требований защиты арматуры от коррозии в соответствии с главой СП 28.13330.2017"Защита строительных конструкций от коррозии".

Изделия:

• Блоки из крупнопористого бетона на тяжелых и легких заполнителях
• Теплоизоляционные плиты из крупнопористого керамизитобетона плотностью D200-D500 и прочностью на сжатие до В2
• Двухслойные панели с теплоизоляционным слоем из легкого бетона крупнопористой структуры

Методы испытаний

Определения предела прочности

Предел прочности крупнопористого бетона определяют по ГОСТ 10180, ГОСТ 28570, при этом наименьший размер образца должен составлять не менее 100 мм. Прочность бетона контролируют и оценивают по ГОСТ 18105.

Определение морозостойкости

Морозостойкость крупнопористого бетона определяют и оценивают по ГОСТ 10060.

Определение истираемости

Истираемость крупнопористого бетона определяют по ГОСТ 13087 и оценивают по ГОСТ 13015.

Определение истинной и средней плотности

Истинную и среднюю плотность крупнопористого бетона определяют по ГОСТ 12730.1.

Определение объема открытых некапиллярных пор

Объем открытых некапиллярных пор (объема межзерновых пустот) в крупнопористом бетоне определяют по разнице между объемом образца правильной геометрической формы и объемом твердой фазы (бетона) в этом образце. Методика определения - по ГОСТ Р 71848.

Определение коэффициента фильтрации

Определение коэффициента фильтрации крупнопористого бетона состоит в оценке скорости инфильтрации установленного объема воды в предварительно увлажненный образец по методике по ГОСТ Р 71848.

Прочие показатели качества

Определение прочих показателей качества крупнопористого бетона (деформация усадки, ползучесть, призменная прочность, модуль упругости и др.) проводят по методам, установленным в ГОСТ 24544 и ГОСТ 24452.

Литература

• Орлянкин Н. М. Крупнопористый бетон как новый стеновой материал / Н. М. Орлянкин, Х. А. Минскер. – Москва : Углетехиздат, 1953.
• Рекомендации по технологии крупнопористого бетона. М., НИИЖБ Госстроя СССР, 1980, 27 с.

Нормативная документация

• ГОСТ 10060 Бетоны. Методы определения морозостойкости
• ГОСТ 10180 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам
• ГОСТ 10181-2014 Смеси бетонные. Методы испытаний
• ГОСТ 11024-2024 Панели стеновые наружные бетонные и железобетонные для жилых и общественных зданий. Общие технические условия
• ГОСТ 12730.1 Бетоны. Методы определения плотности
• ГОСТ 12730.2 Бетоны. Метод определения влажности
• ГОСТ 13015 Изделия бетонные и железобетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения
• ГОСТ 13087 Бетоны. Методы определения истираемости
• ГОСТ 18105 Бетоны. Правила контроля и оценки прочности
• ГОСТ 20910-2019 Бетоны жаростойкие. Технические условия
• ГОСТ 22685 Формы для изготовления контрольных образцов бетона. Технические условия
• ГОСТ 24452 Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона
• ГОСТ 24544 Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести
• ГОСТ 25192-2012 Бетоны. Классификация и общие технические требования
• ГОСТ 25820-2021 Бетоны легкие. Технические условия
• ГОСТ 28570 Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций
• ГОСТ Р 54854-2011 Бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения. Технические условия
• ГОСТ Р 56506-2015 Плиты из крупнопористого керамзитобетона теплоизоляционные. Технические условия
• ГОСТ Р 57345-2016/EN 206-1:2013 "Бетон. Общие технические условия"
• СП 15.13330.2020 "СНиП II-22-81* Каменные и армокаменные конструкции"
• СП 28.13330.2017 "Защита строительных конструкций от коррозии"
• СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения" СНиП 52-01-2003
• СП 266.1325800.2016 "Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования"
• СП 468.1325800.2019 "Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности"