Состав пенобетона

   Подбор состава пенобетона характеризуется не только выбором и соотношением производных, но и их качественным характеристикам. При использовании того или иного наполнителя в составе пенобетона необходимо исходить прежде всего из местных условий (сырьевой базы). Стабильность химических показателей сырья, используемого в составе пенобетона, соответствие их ГОСТам, строгое соблюдение технологии, выбранной для производства пенобетона, приводит к достижению высоких результатов. Даже небольшие изменения в составе пенобетона могут привести к резкому снижению качества материала.
   Портландцемент входящий в состав пенобетона должен соответствовать требованиям ГОСТ 10178-85 (не содержать добавок трепела, глиежа, трасов, глинита, опоки, пеплов, содержать трёхкальциевый алюминат не более 6% для изготовления крупных конструкций на цементном или смешанном вяжущем). Продукт помола цементного клинкера с добавлением гипса (иногда и других минералов) до удельной поверхности зёрен 3000-5000 см²/г. Клинкер получают путём обжига до частичного плавления и спекания извести, глины и прочих материалов сходного качества при t =1450ºС. Примерный химический состав клинкера такой: СаО - 67%, SiO₂ - 22%, Аl₂О₃ -5%, Fе₂O₃ - 3% и ещё 3% прочих компонентов. В основу минералогического состава портландцемента входят четыре составляющие, модифицированные в разной степени ионами Mg²⁺, Аl³⁺, Fе³⁺, Si⁴⁺, Nа⁺ и К:
- Алит. Трёхкальциевый силикат 3СаO·SiО₂ (C₃S). Его доля в портландцементах составляет 50 - 70 %. Алит относительно быстро вступает в реакцию с водой и обеспечивает стабильный прирост прочности цементного камня во все сроки твердения;
- Белит. Двухкальциевый силикат 2СаO·SiО₂ (C₂S), 15-30% в составе портландцемента. Белит оказывает серьёзное влияние на прочность цементного камня в поздние сроки твердения (более 28 суток и далее). Примерно через год белит догоняет в крепости алит и продолжает дальше твердеть неограниченное время;
- Трехкальциевый алюминат 3СаО·Аl₂O₃ (С₃А). Обычное содержание в портландцементах 5-10%. Очень важен для начального твердения цементного камня. После 28 суток практически перестаёт оказывать какое-либо влияние на процессы в бетоне. Характеризуется быстрым набором прочности при реакции с водой. Для замедления схватывания трёхкальциего алюмината при помоле клинкера добавляется гипс;
- Четырёхкальциевый алюмоферрит 4CaО·Al₂О₃·Fe₂О₃ (С₄АF), обычно занимает 5-15% цементного клинкера. По скорости реагирования с водой неоднозначен и изменчив (зависит от непосредственного состава клинкера). Его роль в наборе прочности незначительна и сказывается, в основном, в поздние сроки.
Помимо вышеперечисленных минералов в портландцементах в малых количествах присутствуют щелочные сульфаты, окиси кальция, магния и др.
НГ (нормальная густота) цементного теста - характеристика цемента, по сути минимальное водо-цементное отношение, при котором и получается цементное тесто нормированной консистенции. Определяется НГ при помощи прибора Вика со специальным приспособлением (пестиком). Определение НГ производится при температуре теста в 20ºС.
Пример. Активность цемента Воскресенского завода (Rц) составляет 455 кг/см², тонкость помола характеризуется 6% остатка на сите 4900 отв/см², нормальная густота (НГ) цементного теста составляет 27%, начало схватывания через 2 ч 40 м и конец схватывания через 4 часа. То же для цемента Брянского завода; Rц = 600 кг/см², тонина - остаток 5.1% на сите  4900 отв/см², НГ - 30,75%, начало и конец схватывания - 1ч 55м и 5ч 20м соответственно.
   Песок используемый в составе пенобетона должен удовлетворять требованиям ГОСТ 8736-93 (содержать SiO₂ не менее 90% или кварца не менее 75%). Песок - порода рыхлой структуры с размером зёрен от 0.07 до 5 мм. Разделяются на природные (горные, речные и морские, дюнные и барханные) и искусственные (продукт дробления плотных пород или твёрдых отходов производства). Существенное влияние на качество бетона (пенобетона) оказывает наличие вредных примесей в песке и его зерновой состав. К вредным примесям в составе песка относятся:

• Слюда, в виде блестящих пластинок, хрупких, легко разрушающихся при механическом воздействии, слабо сцепляющихся с цементным камнем и понижающим прочность его. Наличие слюды в песке не должно превышать 0.5%;
• Сульфаты. Способствуют образованию «цементной бациллы», и разрушению цементного камня. Содержание сульфатов в песке - не более 1%;
• Глинистые, пылевидные и илистые частицы обволакивают зёрна песка и мешают их сцеплению с цементом. При наличии более 3% таких частиц, песок следует промыть чистой водой в пескомойке или совсем отказаться от его использования;
• Органические примеси - перегной, остатки растений, насекомых снижают прочность бетона. Содержание органических примесей определяется калориметрическим методом.  

Песок является местным сырьём, поэтому при подборе состава пенобетона необходимо опираться именно на его гранулометрический состав, дисперсность, загрязнённость. Зачастую промыть, размолоть и просеять песок проще непосредственно на производстве, тем самым получив стабильно-высокое качество наполнителя.
   Зола уноса и золошлаки для применения в составе пенобетона в виде наполнителя или смешанного зольно-цементного вяжущего оцениваются по трём главным критериям качества:

• модуль основности (гидравлический модуль) - М₀. Представляет собой отношение суммы основных оксидов к сумме кислотных оксидов. При М₀ > 1 золошлаки являются основными и обладают вяжущими свойствами. При М₀ < 1 зола кислая и может использоваться как гидравлическая добавка в составе пенобетона. Итак, чем выше модуль основности, тем выше вяжущие свойства материала, тем больше его прочность при затвердевании.

• силикатный (кремнеземистый) модуль - М_С. Это отношение оксида кремния (SiO₂), участвующего в образовании алита и белита к оксидам алюминия и железа (Al₂O₃ + Fe₂O₃), которые формируют в свою очередь С₃А и С₄АF. Из этого следует, что при повышенном силикатном модуле схватывание и твердение происходит медленно, но со временем прочность будет увеличиваться.

• коэффициент качества (гидравлическая активность) - К. Это отношение оксидов, повышающих гидравлическую активность, к оксидам - снижающим её. Из этого следует, что при увеличении коэффициента К растёт и гидравлическая активность золошлаков.

Пример. Московской ТЭЦ №11, Ступинской, Электростальской, Ижевской имеют удельную поверхность 2500-5000 см²/г. Зола Каширской ГРЭС состоит на 50%  из мелкого шлака и имеет удельную поверхность 800-1000 см²/г.
Химический состав шлака, золы и шлаковой пемзы некоторых предприятий, в %.

Зола высокоосновная по ОСТ 21-60 (содержит СаО не менее 40%, в том числе свободную СаО не менее 16%, SO ₃ - не более 6% и R₂O - не более 3,5%).
Зола-унос ТЭС по ОСТ 21-60 (содержит SiO₂ не менее 45%, СаО - не более 10%, R₂O - не более 3%, SO₃ - не более 3%).
   Вода затворения пенобетонных смесей должна быть пригодной для питья. Сточные и болотные воды, а так же воды загрязнённые вредными для цемента примесями, имеющие более 1% сульфатов от веса воды (в пересчёте на SO₃) нельзя использовать в составе пенобетона. Не допускается содержание солей в воде более 5000 мг/л.
Существенное улучшение качества бетонных (пенобетонных) смесей происходит при использовании  активированной воды. Повышается пластичность смеси, что позволяет снизить водо-цементное отношение, уменьшается время начала и конца схватывания, сроки твердения бетона. Повышается водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Как показывают исследования наиболее эффективными способами водоподготовки являются механическая и электроактивация.
   Температура. С ростом температуры цементного теста увеличивается и его водопоглощение (то же касается и наполнителей в составе пенобетона), что неминуемо приводит к увеличению В/Ц и снижению заданной прочности материала. Данная зависимость определяется формулой:
В/Ц_{при заданной t} = В/Ц_{при t=20ºC}(1 + 0,004(t - 20)).
Таким образом, применение в составе пенобетона сухих и холодных ингредиентов при температуре воды около 20ºС приводит к снижению В/Ц и увеличению прочности материала. При естественном или искусственном разогреве отформованной пенобетонной массы происходит всасывание наполнителями лишней воды и обезвоживание раствора. Сроки схватывания и твердения уменьшаются, прочность цементного камня увеличивается. Впоследствии, во время высыхания и остывания изделия, поглощённая наполнителями вода испарится, не оказывая влияния на прочность материала.
   Ускорители твердения. Наиболее эффективными ускорителями твердения в составе пенобетонной массы можно считать соли хлора (KCl, NaCl, CaCl₂, BaCl₂, MgCl₂, FeCl₃, AlCl₃), при некоторых технологиях - просто соляную кислоту (HCl). В пенобетонных изделиях, как правило, не используется металлическая арматура, на которую могут воздействовать (коррозия) хлорные соединения, хотя даже в железобетоне разрешено применение хлористых солей до 2% от массы цемента. Целесообразными к применению в составе пенобетона ускорители твердения по шкале «цена-качество», это поваренная соль (NaCl) и хлорид кальция (CaCl₂), так же кислота соляная (HCl). Следует особо обратить внимание на содержание примесей в добавках-ускорителях и % солей хлора в них по сухому веществу. Не следует обращать внимание на красивые и сложные названия ускорителей, предложенных (за другие деньги) на рынке добавок, так или иначе это будут соли хлора.
   Пенообразователи. Синтетика или белок? Вопрос неоднозначный.
Белковый (протеиновый) пенообразователь в составе пенобетона оказывает наименьшее влияние на прочность, и это главное. Пена - качественнее. Сроки хранения небольшие, условия хранения - тепло. Процесс получения пены на белковом пенообразователе требует особого подхода, с настройками и пробами. Не работает при баротехнологии. Цена протеиновых пенообразователей выше синтетических.
При использовании синтетического пенообразователя пенобетон несёт некоторые потери в прочности цементного камня. В баротехнологии применяется только «синтетика». Российская химическая промышленность делает очень хорошие синтетические пенообразователи, опираясь на опыт и технологии СССР, следовательно, отпадает необходимость в дорогом «импорте». Сроки и условия хранения довольно удобные. Цена - низкая.
   Пластификаторы. Существенно снижают водо-цементное отношение в пенобетоне, тем самым положительно влияют на прочность. Добавляются в состав пенобетона в количестве 0.3 - 1% от массы цемента. Слегка замедляют схватывание. Могут отрицательно влиять на устойчивость пены в составе пенобетонной смеси, поэтому при выборе пластификатора помимо цены и дозировки следует выяснить его совместимость с применяемым пенообразователем.
   Гипс (CaSО_4­­), он же, кальций сернокислый, добавляется в необходимом количестве при помоле клинкера уже на цементном заводе (3-5%). Дополнительное введение гипса в состав пенобетона возможно только при определённых условиях, со строгим соблюдением регламента заданной технологии!
Гидросульфоалюминат кальция (ГСАК, эттрингит или «цементная бацилла») образуется при реакции гидроалюмината кальция цементного камня с растворами, содержащими сульфатные ионы (гипса, например). Объём эттрингита, за счёт химического связывания большого количества воды, более чем в два раза превышает объём гидроалюмината кальция. Такое расширение цементного камня изнутри приводит к его деформации и разрушению.
   СаО - известь негашёная (известь-кипелка, кирабит) кальциевая, по ГОСТ 9179, быстро и среднегасящаяся, имеющая скорость гашения 5-25 минут и содержащая активные СаО + MgO более 70%, пережога - менее 2%.
Гашение извести: СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 15.5 ккал
Са(ОН)₂ - гашёная известь (известь-пушёнка)
NaOH - каустическая сода (едкий натр), гидроксид натрия

Список литературы.
2. С. А. Миронов, Л. А. Малинина Ускорение твердения бетона. Издательство литературы по строительству. Москва 1964 г.
3. Роберт С. Бойнтон Химия и технология извести Москва 1972 г.
4. Кузнецова Т.В., Самченко С.В. Микроскопия материалов цементного производства. МИКХиС 2007 г