Россия
УДК 691.327.33 Ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон)
Газобетон является одним из наиболее популярных строительных материалов, который обладает уникальными свойствами, такими как легкий вес, высокие звуко- и теплоизоляционные характеристики и показатели прочности. Однако его пористая структура может снижать его прочность и долговечность. В этой статье автором рассмотрены различные типы пор в газобетоне и их влияние на его свойства. Гелевые и капиллярные поры – это основные виды пор, которые образуются при производстве газобетона. Воздушные (газовые) поры образуются в результате химической реакции между газом и вяжущим веществом. Они также влияют на свойства газобетона, но в меньшей степени, чем гелевые и капиллярные. Однако поры воздухововлечения негативно влияют на качество газобетона. Данный вид пор образуется при заливке газобетонной смеси и представляют собой воздушные пузырьки, которые снижают прочность материала и ухудшает его теплоизоляционные свойства. Для улучшения качества газобетона и предотвращения образования пор воздухововлечения, необходимо оптимизировать технологии производства и контролировать процесс заливки. Также в статье рассмотрены особенности формообразования поры воздухововлечения и трансформации формы вовлеченного воздуха в поре воздухововлечения с формой перевернутой капли.
поры воздухововлечения, ячеистый бетон, газобетонная смесь, газовый пузырек, ячеистобетонная смесь, пористая структура
Введение. Пористые материалы, такие как газобетон, представляют собой ключевой элемент в современном строительстве благодаря своей легкости, теплоизоляционным свойствам и прочности. Их структура, состоящая из множества пор различной формы и размеров, играет важную роль в обеспечении эксплуатационных характеристик. Однако, несмотря на широкое использование материалов и изделий из газобетона, вопросы, связанные с их пористой структурой, остаются малоизученными.
Пористая структура газобетона представляет собой комплексную сеть мельчайших пор, которые являются ключевыми элементами, определяющими его уникальные характеристики. Малоизученность пористой структуры газобетона обусловлена сложностью их анализа, особенно в масштабе наноструктур. Тем не менее, понимание размеров, форм и распределения пор является важным для оптимизации процессов производства и создания более совершенных материалов.
Поры – основной структурный элемент газобетона. При оценке влияния пористости на формирование технических характеристик ячеистобетонных изделий важно выявлять различные типы пор и определять их конкретные формы и размеры [1-3]. В особенности, в строительных материалах с использованием неорганических связующих важно выделять гелевую, капиллярную и газовую пористость [4-7].
Гелевая пористость связана с наличием геля в структуре материала. Гель образуется в результате химических реакций при процессе формирования газобетона. Эти поры имеют маленькие размеры и часто заполнены водой или другими жидкостями. Гелевая пористость играет важную роль в формировании внутренней структуры материала, влияя на его прочность, плотность и теплоизоляционные свойства. Капиллярная пористость обусловлена наличием микроскопических каналов, похожих на капилляры, которые возникают благодаря структуре материала, обеспечивая ему способность впитывать и удерживать влагу. Капиллярная пористость играет ключевую роль в регулировании влажности газобетона, его способности сохранять тепло и препятствовать проникновению воды и других жидкостей в материал. Газовые поры, как правило, заполнены газами, обычно воздухом. Газовые поры в газобетоне имеют различные размеры и формы, варьирующиеся от мельчайших до более крупных. Размер газовых пор существенно влияет на свойства материала: маленькие поры способствуют теплоизоляции, а более крупные могут влиять на прочность и легкость материала [8-11].
Гелевые поры составляют около 28 % объема цементного камня, а капиллярные поры – от 0 до
40 % в зависимости от водоцементного отношения и степени гидратации. Объем пор в бетоне, как характеристика его проницаемости, измеряют водопоглощением, которое обычно определяют высушиванием образца до постоянной массы, насыщением водой и измерением увеличения массы в процентах к массе сухого образца. Высушивание при нормальной температуре неэффективно для удаления всей влаги, а высушиванием при высокой температуре можно удалить и часть связанной воды. Следовательно, водопоглощение не может служить критерием качества бетона, но большинство качественных бетонов имеет величину водопоглощения менее 10 %.
Изучение гелевой и капиллярной пористости позволяет формулировать основные принципы в контексте газобетона, в то время как анализ газовых пор позволяет классифицировать их и выявить, как размер пор влияет на образование структуры [12-14].
Поры воздухововлечения выделены в структуре газобетона в отдельный вид. Они представляют собой пространственные полости, размер которых колеблется от 2 до 30 мм и образуется в процессе заливки газобетонной смеси в формы. Эти поры являются дефектами структуры материала, и их формирование связано с технологическими процессами и условиями производства.
Исследование пористой структуры и пор воздухововлечения газобетона представляет значимый интерес в связи с несколькими аспектами. Прежде всего, это связано с поиском новых методов улучшения качества и характеристик газобетонных конструкций. Глубокое понимание пористой структуры может привести к разработке новых формул смесей и технологий производства, направленных на улучшение прочности, теплоизоляции и долговечности материала. Кроме того, в контексте экологической устойчивости и энергоэффективности строительных материалов, изучение пористой структуры газобетона актуально для оптимизации энергопотребления в процессе производства и эксплуатации зданий.
Материалы и методы. Поры воздухововлечения образуются в текучих системах при смешении компонентов и замесах массы формы. Размер пор вдоль вертикальной оси в ячеистобетонных смесях составляет, как правило, величину от 2 до 30 мм. Воздух вовлекается в смесь в процессе перемешивания сырьевых компонентов и при заливке смеси в формы. Ни одна из конструкций сливных устройств между смесителем и формой не избавляет от воздухововлечения.
При литьевой технологии производства ячеистобетонных изделий эффект воздухововлечения меньше, чем при ударной [15]. Пузырьки воздухововлечения приобретают в смеси форму «перевернутой капли» (рис. 1) и стремятся переместиться к поверхности, но не выходят из смеси ни на ударном столе, ни при виброобработке. Перемещение пузырьков воздуха вверх прерывается за счет их блокировки мелкими водородными пузырьками и по причине формирования коагуляционной структуры в твердеющей смеси. Радиус лобовой части пузырьков (R1) больше, чем донной (R2) и значительно меньше, чем у соединяющей их боковой поверхности (R3): R3 >> R1 >>R2.
Рис. 1. Поры воздухововлечения: а – в срезе по ячеистому бетону; б – форма пор
Крупные поры воздухововлечения являются существенными дефектами в структуре ячеистого бетона, исключение которых имеет критическое значение. Формирование таких пор приводит к нарушению целостности и равномерности внутренней структуры материала, что снижает его прочность и теплоизоляционные свойства. Поэтому важно избегать образования крупных пор воздухововлечения в процессе производства ячеистого бетона.
Определение статуса пор воздухововлечения как отличительной черты материала позволяет значительно расширить наши знания о формировании и организации ячеистой структуры. Это включает в себя не только выявление наличия крупных пор, но и анализ их распределения, формы и влияния на общую структуру материала. Углубленное изучение статуса этих пор позволяет разрабатывать более эффективные методы контроля качества при производстве ячеистого бетона и улучшать технологии его производства для предотвращения образования дефектов, что в свою очередь способствует повышению его надежности и долговечности.
При производстве газобетона залитая в формы газобетонная смесь находится в турбулентном режиме до 10 секунд. Завершив перемещение и заняв горизонтальное положение в форме, смесь начинает подниматься вверх за счет протекающих физико-химических процессов газообразования. Важно отметить, что наблюдения показывают отсутствие видимых перемещений на бугристой поверхности. Эта бугристость, возникающая в начальный момент исходного турбулентного состояния смеси, почти не меняется до момента резки массива. Возвышения, выраженные на поверхности и достигающие высоты до 3 мм, объясняются наличием воздуха, вовлеченного в газобетонную смесь. Данные возвышения неизменны и сохраняют свою форму в течение времени, пока смесь не достигнет этапа резки массива. Такое поведение газобетонной смеси связано с процессами газообразования, вовлекающими воздух и формирующими бугры на поверхности. Данный этап перемещения смеси в форме является важным, так как он определяет структуру и характеристики готового ячеистого бетона. Важно отметить, что воздушный пузырь, который формирует бугорок на поверхности, четко наблюдается при разделении готового блока на срез. Это связано с процессом образования пор воздухововлечения и их влиянием на формирование структуры материала. Если после формирования массива в камере предварительного твердения проколоть бугорок на поверхности, то образуется углубление, или лунка. Это позволяет увидеть, как пора воздухововлечения располагается внутри готового блока. Визуальное наблюдение за поверхностью и фотосъемка показывают, что поры воздухововлечения не перемещаются. Пузырек, находящийся у поверхности, не прорывает ячеистобетонную смесь и не вызывает лопания, как это происходит с порами воздухововлечения в воде.
Поры воздухововлечения в газобетонных блоках в реальном масштабе представлены на рис. 2.
Рис. 2. Поры воздухововлечения в газобетонных блоках
Поры имеют три радиуса кривизны R1, R2, и R3. Размер пор зависит также от расстояния между центрами полусфер с R1 и R2.
Результаты замеров 100 образцов пор воздухововлечения в срезах ячеистого бетона позволил выделить мелкие (до 50 мм/м3), средние (от 50 до 500 мм/м3) и крупные поры (500 мм/м3 и выше), а также характеристику равных по объему сферических пор. Характер распределения пор по их объему представлен на рис. 3.
Рассмотрен газовый пузырек радиусом R0 = 10 мм в ячеистобетонной смеси. В начальной момент времени после заливки смеси в форму пузырек имеет сферический вид и расположен на глубине
L = 100 мм от поверхности смеси (рис. 4, а).
Рис. 3. Распределение пор воздухововлечения по объему
|
а) |
б) |
|
|
|
Рис. 4. Схема преобразования формы пор воздухововлечения в ячеистобетонной смеси:
а – гипотетический начальный момент; б – энергетически предпочтительное состояние
Основная часть. Потенциальная энергия газового пузырька обуславливает выталкивающую силу из-за различий плотностей воздуха (ρВ =1,29 кг/м3) и смеси (ρС = 1800 кг/м3). Так как ρС>>ρВ архимедова сила:
(1)
Предположим, что рассматриваемая пора воздухововлечения сместится со своего первоначального положения к уровню заливки смеси, преодолев расстояние L. Смещение поры воздухововлечения с глубины к поверхности уменьшит потенциальную энергию пузырька:
(2)
Величина границы раздела фаз между смесью и воздухом в пузырьке определяется площадью поверхности пузырька. Поверхность раздела фаз дает вклад в потенциальную энергию пузырька:
(3)
где 
– поверхностное натяжение на границе раздела фаз воздух˗ячеистобетонная смесь, энергия единицы площади, поверхности; S – площадь поверхности.
Кривизна поверхности вносит вклад в энергию пор воздухововлечения за счет избыточного давления у искривленной поверхности. Лапласовское давление в поре воздухововлечения определяется по формуле:
(4)
Произведем количественную оценку каждого из трех рассмотренных составляющих в энергетический потенциал поры воздухововлечения в ячеистобетонной смеси. Вклад в энергию за счет кривизны поверхности.
Взяв для жидкой фазы ячеистобетонной смеси как для воды σ = 72,75 мДж/м2 для поры воздухововлечения с R0 = 10 мм по формуле (4) получим давление Лапласа 14,55 Па. Эта величина на четыре порядка ниже атмосферного давления P0 = 1,013∙105 Па. Когда P0 >> Pл, внешнее атмосферное давление значительно выше лапласовского давления в пузырьке, пора воздухововлечения чувствительна к любому внешнему изменению давления и является по Я.Е. Гегузину [16] «мягкой». Энергетический потенциал поры воздухововлечения за счет кривизны поверхности незначительный.
Потенциальная энергия за счет межфазной границы определена по формуле (3):
Энергия пузырька за счет выталкивающей силы рассчитана по формуле (2):
Полученное значение на два порядка выше энергии за счет межфазной границы.
Следовательно, ключевым фактором, влияющим на энергетическое состояние газового пузырька в газобетоне, является его потенциальная энергия, которая определяется уровнем смеси ячеистого бетона над порой воздухововлечения.
Характеристики окружающей поры воздухововлечения среды и количество вещества в этой среде, измеряемое через присоединенную массу, оказывают существенное влияние на поры воздухововлечения в газобетонной смеси. В традиционной теории присоединенная масса определяется как половина объема среды, вытесненной пузырьком, умноженная на плотность этой среды. Для сферического пузырька воздуха эту массу можно вычислить по формуле:
(5)
Для рассматриваемого пузырька с радиусом R0 = 0,01 м присоединяемый объем равен V0 = 2,09 см3 или 2,09∙10-6 м3. С учетом начальной плотности смеси ρС = 1800 кг/м3 присоединенная масса составит 3,77∙10-3 кг.
На начальном этапе основной энергетической характеристикой, окружающей поры воздухововлечения среды, является температура ячеистобетонной смеси. Температура смеси при заливке равна 43 °C. Приняв температуру воздуха в зоне заливки 25 °C, получаем разность температур 18 °C. Наличие градиента температур предопределяет передачу энергии от среды к воздуху, находящемуся в пузырьке. Градиент одинаков по всей поверхности сферы и приводит к нагреву воздуха в поре воздухововлечения.
Определим количество энергии, необходимой для нагрева воздуха в рассматриваемом пузырьке на один градус. Так как воздух влажный, теплоемкость определяем по уравнению:
, (6)
где 1005 Дж/кг∙град – удельная теплоемкость сухого воздуха при 25 °C; 1865 Дж/кг∙град – удельная теплоемкость водяного пара; 
– абсолютная влажность, кг водяного пара на кг сухого воздуха.
Содержание водяных паров в сухом воздухе принято 15 г. Масса сухого воздуха в поре воздухововлечения с R0 = 0,01 м составит [4,19∙10-6 м3] ∙ [1,29 кг/м3] = 5,4 ∙10-6 кг. Теплоемкость влажного воздуха в поре воздухововлечения: 1005+1865∙0,015 = 1033 Дж/кг∙град.
Энергия для градиента температуры в один градус для поры воздухововлечения составит:
1033∙5,4∙10-6∙1 = 5,58∙10-3Дж. Для газобетонной смеси D500 объемная теплоемкость составляет 1,237∙106 Дж/м3∙град. Для присоединенного к поре воздухововлечения с R0 = 10 мм объема газобетонной смеси, равного 2,09∙106 Дж/м3∙град энергия при градиенте температуры в один градус: 1,237∙106∙2,09∙10-6∙1=2,59 Дж.
Следовательно, передача энергии от присоединенной массы поры воздухововлечения, при изменении температуры газобетонной смеси на 1 °C с 43 °C до 42 °C достаточна, чтобы нагреть воздух в поре практически до 1000 °C.
Уже на момент контакта пор воздухововлечения с окружающей его горячей газобетонной смесью пузырек с воздухом подвержен мощному энергетическому воздействию со стороны окружающей его среды. В таких условиях пора воздухововлечения примет энергетический статус, соответствующий минимуму его потенциальной энергии. Это форма перевернутой капли (рис. 5).
Рис. 5. Схема трансформации формы вовлеченного воздуха в поре воздухововлечения
с формой перевернутой капли
Вывод. Занимающие значительную часть пространства в ячеистых бетонах поры оказывают влияние на строительно-технические свойства газобетона, в том числе теплоизоляционные. Поры воздухововлечения являются дефектами структуры газобетона и влияют на снижение его прочности и долговечности. Для улучшения качества газобетона и предотвращения образования пор воздухововлечения, необходимо оптимизировать технологии производства и контролировать процесс заливки.
Изучение пористой структуры и выявление дефектов в порах газобетона представляет собой важный этап для повышения качества и надежности строительных конструкций. Определение дефектов позволяет не только улучшить технологии производства газобетона, но и разработать методы обнаружения и контроля этих дефектов на всех стадиях производства материалов. Углубленное понимание пористой структуры и ее дефектов открывает новые перспективы для создания более эффективных строительных материалов с повышенной устойчивостью и долговечностью.
1. Dong M., Ma R., Sun G., Pan C., Zhan S., Qian X., Chen R., Ruan S. Size distribution of pores and their geometric analysis in red mud-based autoclaved aerated concrete (AAC) using regression neural network and elastic mechanics // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 359. 129420.
2. Лесовик В.С., Сулейманова Л.А., Кара К.А. Энергоэффективные газобетоны на композиционных вяжущих для монолитного строительства // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 3 (639). С. 10-20.
3. Suleymanova L.A., Kara K.А., Suleymanov K.A., Pyrvu A.V., Netsvet D.D., Lukuttsova N.P. The topology of the dispersed phase in gas concrete // Middle East Journal of Scientific Research. 2013. Vol. 18. Iuss. 10. Pp. 1492-1498.
4. Huang Y., Ma L., Lai W., Mo Q., Zheng Y., Li Y., Xu M., Huang Z. Mechanical properties improving and microstructure characterization of inorganic artificial stone binder // Science and Engineering of Composite Materials. 2022. Vol. 29. Iss. 1. Pp. 335-345.
5. Kurochkina K., Suleymanova L., Kolomatsky A. Porosity of autoclave aerated concrete and foam concrete: origin of porosity and pore size // Magazine of Civil Engineering. 2021. Vol. 6 (106). 10606.
6. Kramer Ch., Schauerte M., Kowald T.L., Trettin R.H.F. Three-phase-foams for foam concrete application // Materials Characterization. 2015. Vol. 102. Рp. 173-179.
7. Anders N. Investigations about porosity analyzing of AAC // 6th International Conference on Autoclaved Aerated Concrete. 2018. Pp. 141-145.
8. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А., Сулейманов К.А. Обобщенный анализ характера поровой структуры газобетонов неавтоклавного твердения на композиционных вяжущих // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 3. С. 75-79.
9. Сулейманова Л.А., Сулейманов К.А., Погорелова И.А. Топология пор в газобетоне // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 5. С. 100-105.
10. Сулейманова Л.А. Управление процессом формирования пористой структуры ячеистых бетонов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 69-76.
11. Suleymanova L.A., Pogorelova I.A., Marushko M.V. Theoretical Basis of Formation Highly Organized Porous Structure of Aerated Concrete // Materials Science Forum. 2019. Vol. 945. Pp. 309-317.
12. Gadkar A., Subramaniam K. Porosity and pore structure control in cellular geopolymer using rheology and surface tension modifiers // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 323. 126600.
13. Kumar R., Bhattacharjee B. Porosity, pore size distribution and in situ strength of concrete // Cement and Concrete Research. 2003. Vol. 33. Issue 1. Pp. 155-164.
14. Suleymanova L.A., Marushko M.V., Kolomatsky A.S. Processing methods used to create high-quality porous structure of aerated concrete // Materials Science Forum. 2020. Vol. 992. Pp. 212-217.
15. Вишневский А.А., Гринфельд Г.И. Выбор технологии производства автоклавного газобетона: ударная или литьевая // Строительные материалы. 2015. № 8. С. 4-7.
16. Гегузин Я.Е. Капля. АН СССР. 2-е изд., доп. М.: Наука, 1977. 176 с
