Ячеистые бетоны нашли широкое применение в различных областях современного строительства, что обеспечено специфическими особенностями пористой структуры и соответственно многообразием функцио-нальных назначений. В частности, несущая способность ячеистых бетонов при характерной для них низкой плотности достаточна для изготовления ограждающих конструкций стен и покрытий элементов, перекрытий и несущих элементов малоэтажного строительства.Высокие теплозащитные характеристики, огнестойкость, теплоемкость и влагоемкость обусловливают уникальное сочетание в одном материале всех тех  положительных качеств, которые в отдельности присущи традиционным строительным материала. Но, несмотря на это, доля ячеистобетонных изделий в общем объеме стеновых материалов составляет всего 6…8 %, в то время как в большинстве европейских стран превышает                   30 % и их качество желает много лучшего. Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года предусматривает повышение доступности энергоэффективного жилья гражданам РФ. Реализация государственной жилищной политики предполагает развитие строительного комплекса и производства строительных материалов, изделий и конструкций с применением инновационных, в том числе энергосберегающих технологий.Для решения строительных проблем России, в первую очередь резко обострившейся проблемы дешевого и высококачественного жилья, необходимо всемерно наращивать производство ячеистых бетонов в нашей стране, которое позволит резко снизить ресурсоемкость строительства и эксплуатации.Авторами предложены принципы проектирования неавтоклавного газобетона для производства энергосберегающих ограждающих конструкций с учетом использования композиционных вяжущих (КВ), заключающиеся в оптимизации процесса структурообразования матрицы композита за счет интенсификации процессов гидратации клинкерных минералов, что позволяет получать композиционное вяжущее с прочностью на сжатие  не менее 90 МПа и неавтоклавный ячеистый бетон на его основе с улучшенными характеристиками [1–10].Для получения энергоэффективных ячеистых бетонов и повышения эффективности использования цемента  применяли композиционные вяжущие на основе клинкера             (с добавлением 5 % гипса) и портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108–2003 производстваЗАО «Белгородский цемент». При изготовлении композиционных вяжущих процесс помола является основным по объему капиталовложений в оборудование. В ходе помола происходит физико-химическая активация компонентов, в дальнейшем определяющая свойства полученного вяжущего. Повышение эффективности данного процесса достигается совершенствованием помольных агрегатов, применением различных добавок-интенсификаторов, рациональным подбором составов КВ [11–16].Дозировка суперпластификатора Полипласт СП-1 (производства ООО «Полипласт Новомосковск»), определенная с использованием метода мини-конуса, составляла 1 % от массы вяжущего. Установлена целесообразность замены клинкера в композиционном вяжущем до 30 % наполнителем (отсевы дробления перлита, трепела и опоки), что позволяет осуществить экономию клинкерной составляющей без значительного изменения активности вяжущего.Анализ кинетических констант помола КВ (рис. 1,  табл. 1), измельченных в центробежном агрегате с параллельными помольными блоками, позволил определить оптимальное время помола каждого вида композиционного вяжущего  для достижения рациональной удельной поверхности – 500…550 м2/кг. Выявлено, что наилучшей размолоспособностью обладает вяжущее на основе клинкера с добавлением перлита, имеющего наименьший коэффициент торможения  kt= 0,0008 кг/м2 [3]. При помоле высокопористых материалов (трепела и опоки), содержащих много открытых пор, происходит поглощение молекул суперпластификатора, и процесс увеличения удельной поверхности не только не ускоряется, а в отдельные сроки даже замедляется из-за вторичной агрегации и налипания на мелющие тела и корпус мельницы.   Рис. 1. Удельная поверхность композиционных вяжущих от времени помола: Таблица 1 Кинетические константы помола композиционных вяжущих (КВ-70)Состав вяжущихНачальная скорость (U0), м2/(кг×мин)Коэффициент торможения (kt), кг/м2Коэффициент корреляции (kkor)ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт СП-1 + перлит10,720,00120,9944ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт СП-1 + опока13,260,00120,9955ЦЕМ I 42,5 Н + Полипласт СП-1 + трепел3,990,00150,8204Клинкер + гипс +  Полипласт СП-1 + перлит10,10,00080,9537Клинкер + гипс + Полипласт СП-1 + опока13,260,0120,9955Клинкер + гипс +  Полипласт СП-1 + трепел18,790,0020,9948     Анализ гранулометрии полученных вяжущих показал, что КВ на основе клинкера с суперпластификатором имеет повышенное содержание мелкодисперсных частиц с выраженным максимумом в интервале 5…13 мкм по сравнению с вяжущими, полученными при помоле цемента (рис. 2). При этом вяжущие на основе клинкера имеют большое содержание мельчайших частиц в диапазоне 0,66…1,81 мкм.Введение минеральных наполнителей при помоле вяжущих на основе клинкера смещает графики в область более мелких частиц. При этом кривые имеют несколько ярко выраженных пиков по сравнению с кривой портландцемента. Стоит отметить, что кривая вяжущего с перлитом имеет большое содержание мелких частиц в диапазоне 0,66…1,81 мкм, что обеспечивает более высокую реакционную способность, особенно в ранние сроки твердения.Установлен характер кинетики помола и распределения частиц композиционных вяжущих по размерам, измельченных в центробежном агрегате с параллельными помольными блоками, свидетельствующий о смещении максимума из области крупных размеров частиц в область средних и увеличение количества мелких частиц, что приводит к равномерному полидисперсному распределению компонентов вяжущего и интенсификации процессов гидратации.    Рис. 2.  Распределение частиц  композиционного вяжущего по размерам:   Полученные результаты коррелируются с аналогичными данными, приведенными в работах [3, 4, 13–27].Возможно повышение эффективности неавтоклавного газобетона за счет регулирования коллоидно-химических свойств, позволяющих увеличить эффективную вязкость раствора, что способствует предотвращению прорывания газовых пор.Выявлены зависимости подвижности газоцементных систем от вида и процентного содержания вяжущего, с целью исключения влияния газообразователя на изменение реологических свойств в системе «газообразователь – ТМЦ 100 (ВНВ-100) –          – вода», заключающиеся в том, что наименьшие значения предельного напряжения сдвига свидетельствуют об оптимальном процентном соотношении суперпластификатора к цементу.Анализ реологических характеристик разработанных вяжущих (рис. 3) показал более быстрое начало гидратации составов на  клинкерной основе, что в дальнейшем повлияло на активность вяжущего. Предложенные составы КВ позволяют получать растворы с заданной эффективной вязкостью, способствующей предотвратить прорывание газовых пор.      Рис. 3. Реологические кривые суспензий на основе цемента Рис. 4. Реологические кривые суспензий на основе клинкера  С целью исключения влияния газообразователя на изменение реологических свойств была рассмотрена тройная система «газообразователь – композиционное вяжущее – вода». Введение суперпластификатора изменяет характер течения водогазоцементной суспензии: он снижает предел текучести практически до нуля, т.е. в системе вязкое течение начинается при очень малых градиентах скоростей сдвига. Существенное понижение напряжения сдвига при градиенте скорости сдвига большем 130...140 с-1 вызвано седиментацией газоцементноводной суспензии под воздействием центробежных сил. Это в свою очередь вызвано тем, что дополнительное количество ранее иммобилизованной воды, высвобожденное в результате введения суперпластификаторов, приводит к потере структурной устойчивости системы при данной дисперсности твердой фазы. Подобный эффект может иметь место и при меньших градиентах скорости сдвига в случае более высокого В/Ц отношения, что имеет место при приготовлении ячеистобетонной смеси. На основе полученных реограмм (рис. 5) установлено, что для газоцементной системы «газообразователь - композиционное вяжущее - - вода», имеющей низкое значение величины предельного напряжения сдвига, оптимальное процентное содержание суперпластификатора              1 %. С учетом полученных данных грануло-метрического состава, реологических характеристик и физико-механических испытаний вяжущих  предложены  рациональные  составы КВ-70 (с наполнителями в виде перлита и опоки)  (табл. 2) с использованием  портландцемента и клинкерной составляющей с суперпластификатором Полипласт СП-1 [4].   Рис. 5. Реограммыгазоцементных смесей:                                                  – газообразователь − КВ-70 (1 % Полипласт СП-1) − вода;                                                 – газообразователь − КВ-70 (0,14 % Полипласт СП-1) − вода;                                                 – газообразователь − КВ-70 (0,7 % Полипласт СП-1) − вода;                                                 – газообразователь − ТМЦ-70 − вода   Таблица 2Составы и физико-механические характеристики композиционных вяжущихВяжущее  НГ, %Сроки схватывания, минПрочность, МПа, в возрасте, сутначалоконецна сжатиепри изгибе37283728КВ-70(клинкер + перлит)28,94015052,367,290,57,269,3312,65КВ-70(цемент + перлит)27,44514550,766,987,17,349,6912,45КВ-70(клинкер + опока)30,76517055,363,581,98,258,8211,9КВ-70(цемент + опока)29,17017053,364,377,77,619,4511,1  Известно, что для ячеистых бетонов пластифицирование цементных растворов не эффективно ввиду гидрофобного                        взаимодействия суперпластификаторов и газообразователя, однако, проведенными исследованиями показана возможность применения суперпластификатора Полипласт СП-1. Производство композиционных вяжущих с активными кремнеземсодержащими минеральными добавками дает возможность экономии удельных энергозатрат на тонну цемента за счет снижения содержания клинкерной составляющей с сохранением высоких строительно-технических свойств.Исследовано влияние вида минеральной добавки на прочностные свойства вяжущего и гидратацию клинкерных минералов на разработанных композиционных вяжущих  с наполнителями перлита, опоки и  трепела методом РФА.Результаты РФА (рис. 6) свидетельствуют, что в начальные сроки (1, 3 сут) твердения более интенсивно гидратирует КВ с добавкой трепела, хотя прочность его в трехсуточном возрасте более чем в 2 раза ниже, чем вяжущих с остальными добавками. Этот факт свидетельствует, что интенсивность гидратации на начальном этапе не всегда определяет прочность цементного камня. Чрезмерно высокая скорость процесса может привести к формированию крупноблочной структуры низкой прочности, что, возможно, и наблюдается в данном случае. К 3 и 28 сут твердения гидратация КВ с опокой и перлитом выше интенсивности этого процесса в трепелсодержащем композиционном вяжущем. Наибольшие изменения между отражениями заметны на 28 сут твердения, где высота дифракционных максимумов алита и белита у КВ с опокой и перлитом на 13 % и 15 % ниже соответственно, чем  с трепелом. Эти результаты согласуются  с   прочностными данными КВ    (табл. 2) в эти же сроки твердения, которые свидетельствуют, что максимальная разница между прочностью цементного камня                                с соответствующими добавками равна 48 % и                 66 %  [3, 4].  1 сут100 % 92 % 77 % 102 % 3 сут100 % 76 % 69 % 71 % 7 сут100 % 71 % 74 % 58 % 28 сут100 % 61 % 53 % 52 %  Рис. 6.  Интенсивность отражений 2,76Å и 2,78Å в зависимости от вида минеральной добавки в вяжущем:­            – ЦЕМ I 42,5 Н;          – КВ-70 (трепел);       – КВ-70 (опока);       – КВ-70 (перлит) Образец в 28 сут твердения с добавкой перлита показал и лучшее усвоение аморфной составляющей с наиболее полной гидратацией клинкерных минералов. Вследствие этого минералогический состав образца с добавкой перлита имеет оптимальное соотношение клинкерных минералов и минералов гидросиликатов кальция.При введении опоки заметное снижение интенсивности отражений 2,76Å и 2,78Å началось в возрасте 1 сут твердения, хотя по кинетике гидратации клинкерных минералов она проявила себя достаточно близкой к составу с содержанием трепела. Содержащаяся в опоке аморфная составляющая способствовала, по сравнению с другими добавками в 3 и 7 сут твердения образцов, более активному образованию гидросиликатов кальция. Это позволило через 28 сут  твердения  получить  образцы  с оптимальной структурой вследствие более сбалансированного соотношения кремнезема, клинкерных минералов и гидросиликатов кальция, которые способствовали максимально возможному заполнению дефектов крупных кристаллов. Состав с добавкой трепела по кинетике гидратации клинкерных минералов проявил себя достаточно близко к составу с содержанием опоки, что отмечалось по отражениям дифракционных максимумов 2,76Å и 2,78Å. Трепел по минералогическому составу содержит максимальное количество аморфной составляющей. Однако данная составляющая не проявляла активности и в значительной степени осталась в исходном состоянии. Это не позволило создать плотную структуру цементного камня, а прочностные характеристики показали наименьшие значения, хотя гидратация клинкерных минералов происходила достаточно активно.Проведены исследования микроструктур композиционных  вяжущих с различными кремнеземсодержащими добавками с помощью растрового ионно-электронного микроскопа Quanta 200 3D. Установлено, что микро-структура вяжущих с перлитом имеет однородную плотную структуру, преобладающий ее элемент – кристаллогидрат игольчатой формы; отмечается четкое прорастание гидросиликатов по всей матрице композита, при этом практически отсутствуют поры и пустоты. Рентгеноспектральный микрозондовый анализ поверхности скола образцов на композиционном вяжущем показал закономерное уменьшение Са и одновременное количественное повышение содержания Si и Al в камне композиционного вяжущего по сравнению с бездобавочным цементным камнем.Получены математические зависимости физико-механических характеристик неавто-клавного газобетона на основе композиционных вяжущих от технологических параметров (В/Т, количества извести и газообразователя, вида наполнителя) (табл. 3), позволяющие управлять процессом производства ячеистых бетонов и оптимизировать технологический процесс.Таблица 3Условия планирования экспериментаФакторУровень варьированиянатуральный видкодированный вид– 10+1В/ТХ10,50,60,7Известь, % от массы вяжущегоХ2246Аl паста, % от массы вяжущегоХ30,50,60,7Вид наполнителяХ4Опока Перлит Трепел В результате статистической обработки полученных данных (табл. 4) выявлены оптимальные дозировки компонентов и получены математические модели:– средней плотностиY1 = 293,02 – 148,32×Х1  − 161,57×Х2–195,21×Х3 + +39,25×Х4+ 45,98×Х12+ 105,98×Х22+ + 81,48×Х32 + 95,98×Х42  + 18,88×Х1×Х2+ +35,38×Х1×Х3–35,13·Х1×Х4+ 96,75×Х2×Х3 ++ 13,5·Х2×Х4+ 14,5· Х3×Х4,– прочности на сжатиеY2 = 1,45 – 1,20×Х1  − 1,01×Х2– 1,16×Х3  + 0,26×Х4 + +0,2×Х12+ 0,58×Х22+ 0,4×Х32 + 0,13×Х42 ++ 0,13×Х1×Х2+ 0,28×Х1×Х3 – 0,21·Х1×Х4+ + 0,59×Х2×Х3+  + 0,11· Х2×Х4+ 0,03· Х3×Х4,анализ которых представлен на рис. 7.В результате анализа экспериментальных данных был рекомендован состав неавтоклавного газобетона на основе композиционноговяжущего, содержащий: клинкерную  составляющую 70  %, суперпластификатор Полипласт СП-1 1 %,                      гипс 5 %, известь 4 %, перлит 30 % и газообразователь – алюминиевую пасту 0,6 %.Таблица  4Матрица планированияи экспериментальные данные№опытаФакторρср, кг/м3Rcж ср, МПаХ1Х2Х3Х41++++2400,32+++–2150,183++–+4201,14++––3981,025+–++3901,26+–+–3600,97+––+8353,88+–––9103,99–+++5803,010–++–3561,211–+–+7804,112–+––6603,213––++6803,114––+–5603,0215–––+13807,816––––12806,917+0002600,8118–0004202,5190+003201,18200–004802,92100+02610,922200–04902,823000+4601,924000–3201,282500002801,3      Рис. 7. Номограммы средней плотности   и прочности на сжатие газобетона от В/Т, количества извести, алюминиевой пасты и вида наполнителя: 1 – В/Т = 0,5, вид наполнителя – опока; 2 – В/Т = 0,6, вид наполнителя –  перлит; 3 – В/Т = 0,7, вид наполнителя – трепел  Оптимизация рецептуры, проведенная при наличии экспериментально-статистических моделей влияния управляющих рецептурно-технологических факторов на свойства неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем, совокупность которых определяет его качество, позволила установить оптимальный состав (на 1 м3) неавтоклавных газобетонных изделий на композиционном вяжущем с маркой по средней плотности  D500 и классом по прочности на сжатие В2: композиционное вяжущее (клинкерная составляющая – 290 кг, гипс– 15 кг, перлит – 125 кг, суперпластификатор Полипласт СП-1– 2,9 кг), известь – 8,6 кг, алюминиевая паста – 2,6 кг,  вода – 249 л.  Применение экспериментально-статистических моделей (рис. 7) дает возможность определения рецептурно-технологических параметров  для изготовления газобетонных изделий  с марками по средней плотности от D200 до D900 с высокими строительно-техническими свойствами.Неавтоклавный газобетон на основе КВ с добавлением перлита по эксплуатационным свойствам (табл. 5) превосходит характеристики традиционных неавтоклавных газобетонов, что объясняется оптимизацией структуры ячеистого бетона (рис. 8) за счет использования композиционных вяжущих.Таблица 5Свойства газобетона на композиционномвяжущем (минеральная добавка  – перлит)ПоказательРезультаты испытанийСредняя плотность, кг/м3480Предел прочности на сжатие, МПа2,9Усадка, мм/м0,45Коэффициент паропроницаемости, мг/м·ч·Па0,34Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С)0,09МорозостойкостьF35 Процесс газовой поризации смесей на КВ взаимосвязан с вопросами распределения пор по размерам в смесях ячеистого бетона. Распределение полидисперсной пористости ячеистого бетона по плотности упаковки не взаимодействующих пор в водоцементной системе определяется рекуррентным уравнением топологических переходов.    Рис. 8. Пористая структура газобетонных изделий на композиционных вяжущихПри этом внедрение меньшей фракции пор в пространство между порами предыдущей более крупной фракции аналогично по характеру зависимостям, которые  наблюдаются при формировании гранулометрического состава продуктов измельчения [28–30].Выявлены закономерности процессов формирования структуры и разработаны принципы повышения эффективности неавтоклавных газобетонов за счет применения композиционных вяжущих, управления процессами в трехфазной дисперсной пористой системе и совершенствования технологических приемов изготовления ячеистобетонных изделий, заключающиеся в формировании состава и гранулометрии вяжущих, которые соответствуют структуре тонких межпоровых перегородок, управлении свойствами смесей для сочетания процессов газообразования и структурообразования с учетом баланса сил в дисперсной системе.Установлен характер влияния состава и гранулометрии компонентов композиционных вяжущих с наполнителями различного генезиса и модификаторов  вяжущего на свойства ячеистобетонных смесей и характеристики неавтоклавного газобетона.Композиционные вяжущие с полимодальным распределением частиц обеспечивают формирование оптимальной микроструктуры межпоровых перегородок за счет самоорганизации и плотной упаковки частиц, ускоряют структурообразование и повышают прочность на ранней стадии твердения газобетона.Композиционные вяжущие в стабильных заводских условиях технологии производства способствуют изготовлению неавтоклавных газобетонных изделий, соответствующих по свойствам изделиям из автоклавного газобетона. Получены неавтоклавные газобетонные изделия на композиционных вяжущих с высокими физико-механическими свойствами: маркой по средней плотности D250…D500, классом по прочности В0,5…2,5, теплопроводностью                     λ = 0,067…0,09 Вт/м·°С, морозостойкостью F15…F50. Такие показатели превосходят характеристики традиционных газобетонов                       за счет улучшенной поровой структуры  с равномерным распределение пор при среднем диаметре  0,21 мм.С учетом требований [31] определены рекомендуемые варианты энергосберегающих ограждающих конструкций для  Белгорода (коэффициент сопротивления теплопередаче                 R0 = 2,86), которые представлены в табл. 6. Таблица 6Рекомендуемые  варианты энерго-сберегающих ограждающих конструкцийЭскизПоказатель Толщина стены – 320 мм:цементно-песчаный раствор –10 мм;газобетон – 300 мм;цементно-песчаный раствор –10 мм. Толщина стены – 430 мм:керамический кирпич – 120 мм;газобетон – 300 мм;цементно-песчаный раствор –10 мм. Толщина стены – 430 мм:силикатный кирпич – 120 мм;газобетон – 300 мм;цементно-песчаный раствор –10 мм. Применение энергоэффективного ячеистого бетона будет способствовать не только удешевлению строительства, но и улучшению экологической обстановки региона.