К важнейшим характеристикам газобетона относятся механические свойства, в том числе предел прочности при сжатии.
В отечественной и зарубежной литературе можно встретить разноречивые данные по прочности ячеистых бетонов. Это можно объяснить тем, что исследования проводились с применением неодинакового сырья, при разных соотношениях вяжущего и кремнеземистого компонента и в различных условиях автоклавной обработки образцов. Кроме того, отсутствуют данные о методике испытаний.
На рис. 89 представлены усредненные показатели прочности газобетона в зависимости от его объемного веса, полученные в НИИЖБ. Приведенные данные относятся к газобетонным образцам размером 10x10x10 см, испытанным после автоклавной обработки общей продолжительностью 18 ч и высушивания их до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 105°С. Такие образцы изготавливали с применением портландцемента Белгородского завода, который относится к алитовым цементам, и молотой извести-кипелки Гжельского завода с 85%-ным содержанием CaO. Песок, содержащий до 95% кремнезема, был размолот до удельной поверхности 2500 см2/г.
Для сравнения на этом рисунке приведены показатели прочности газобетона, взятке из каталога шведской фирмы «Сипорекс».
Из рис. 89 видно, что прочность газобетона на цементе и известково-цементном вяжущем практически одинакова.
Важно отметить также, что при оптимальных технологических условиях получены прочностные показатели газобетона, не отличающиеся от показателей шведских ячеистых бетонов. Аналогичные данные по прочности с небольшими отклонениями получены на ряде газобетонных заводов: Ленинградском, Новосибирском, Курганском и др.
В НИИЖБ были проведены исследования по установлению зависимости между прочностью и расходом смешанного (известково-цементного) вяжущего для газобетона разного объемного веса. Аналогичная работа была проведена с газобетоном на портландцементе.
При исследовании газобетона на известково-цементном вяжущем в широких пределах изменялось количество извести и песка. Анализ результатов определения прочности при сжатии (рис. 90) показал, что состав, содержащий 20% молотой извести-кипелки, 20% портландцемента и 60% молотого песка, оптимальный. В этом случае прочностные показатели газобетона при объемном весе 500, 700 и 900 кг/м2 были равны соответственно 30, 55, 140 кГ/см2.
С увеличением количества молотой извести-кипелки и уменьшением содержания песка прочность газобетона снижалась. Резкое снижение прочности (до 70%) наблюдалось при составе: 20% портландцемента, 40% молотой извести-кипелки и 40% песка. Было также установлено, что прочность газобетона разного объемного веса на портландцементе также меняется в зависимости от количества введенного тонкомолотого песка (рис. 91).
При составах без добавки песка, т. е. на чистом портландцементе, наблюдается наименьшая прочность. Замена части цемента песком вызывает повышение прочности, которая достигает максимума при 60% вяжущего и 40% песка. В этом случае прочность газобетона при объемном весе 500, 700 и 900 кг/м3 составляет соответственно 28, 56 и 116 кГ/см2.
При дальнейшем увеличении содержания песка и уменьшении количества вяжущего прочностные показатели снижаются. При 20% вяжущего и 80% кремнеземистой добавки снижение прочности достигает 60%.
Результаты наших опытов с газобетоном согласуются с данными, полученными ранее С.А. Мироновым и Л.А. Малининой при проведении исследований по автоклавной обработке обычных (тяжелых) бетонов. В последнем случае было установлено, что добавка молотого песка в определенных количествах различно влияет на увеличение прочности минералов клинкера. Наибольшую прочность обнаруживает C3S при добавке 50% молотого песка и C2S при добавке 25% песка. При указанных количествах добавок в результате автоклавного твердения наблюдается резкое повышение прочности: для C3S — в 2,5 раза, а для C2S — в 16—20 раз по сравнению с контрольными образцами из чистых минералов, твердевшими 28 суток в нормальных условиях. Однако C2S связывает почти в 2 раза меньше кремнезема, чем C3S.
Наряду с изучением прочностных характеристик нами были проведены исследования новообразований, возникающих в результате автоклавной обработки газобетона при различных соотношениях вяжущего и молотого песка.
Фазовый состав образцов на основе данных дифференциально-термического анализа определяли по следующим показателям:
На основании данных рентгеновского анализа фазовый состав определяли по следующим показателям (межплоскостным расстояниям):
Для установления зависимости фазового состава газобетона (объемным весом 700 кг/м3) на портландцементе при различных соотношениях вяжущего и молотого песка были взяты соответствующие пробы для дифференциального термического и рентгеноструктурного анализов. Одновременно были проделаны химические анализы для определения свободной извести (табл. 49).
Результаты исследований показывают, что фазовый состав в автоклавном газобетоне в зависимости от содержания вяжущего и кремнеземистой добавки меняется (рис. 92, 93).
Кривая ДТА образца газобетона, изготовленного на портландцементе без добавки песка, характеризуется тремя эндотермическими эффектами. Эндотермический эффект при 125—130° С связан с удалением адсорбционной и гигроскопической влаги из продуктов гидратации; впадина на термограмме при температуре 450—465° С и линии на рентгенограмме 3,25; 1,91; 1,78; 1,68 А характеризуют присутствие в образце двухосновного гидросиликата кальция а-гидрата C2SH(A). Значительный эндотермический эффект при 515° С, а также линии на рентгенограмме 4,88; 3,1 и 2,66А свидетельствуют о наличии в исследуемом образце Ca(OH)2. По данным химического анализа, количество свободной извести в этом образце составляет 9,67%.
Термограмма образца газобетона, состоящего из 80% портландцемента и 20% песка, показала изменение фазового состава продуктов гидратации. Эндотермический эффект при 460° С несколько увеличивается. Это свидетельствует о том, что количество двухосновного гидросиликата кальция C2SH(A) повышалось, по-видимому, вследствие взаимодействия извести, образовавшейся при гидратации цемента с песком.
Линии на рентгенограмме (см. рис. 93) 3,52; 3,25; 2,4; 1,91 и 1,77 А также показывают наличие в исследуемом образце C2SH (А).
Наблюдается резкое уменьшение эндотермического эффекта при 495° С, что свидетельствует об уменьшении количества гидрата окиси кальция. Это подтверждается также данными химического анализа. Количество свободной извести по сравнению с предыдущим образцом снизилось с 9,67 до 1,91%. На термограмме исследуемого образца можно отметить небольшой эндотермический эффект при температуре 740° С, связанный, вероятно, с разложением CaCO3.
Существенное изменение фазового состава обнаружено при исследовании образца газобетона, состоящего из 60% портландцемента и 40% песка. Напомним, что на этом составе была получена наибольшая прочность газобетона (см. рис. 91). В этом случае на кривой ДТА (см. рис. 92) полностью исчезает эндотермический эффект при 450° С, характеризующий присутствие в данном случае альфа-гидрата C2SH(A). Еле заметный эффект при 515° С свидетельствует о значительном уменьшении количества Ca(OH)2. Количество свободной извести составляет 1,2%. Одновременно на термограмме появляется новый экзотермический эффект при 810° С.
При добавке 40% песка происходит почти полное связывание Ca(OH)2 и образование вместо двухосновного гидросиликата C2SH(A) низкоосновного гидросиликата CSH(B). Последний обнаруживается на рентгенограмме (см. рис. 93) по линиям 3,02; 2,78 и 1,81 А.
При увеличении добавки кремнезема до 60% существенных изменений на кривой ДТА и рентгенограмме по сравнению с образцом, состоящим из 60% цемента и 40% песка, не наблюдается.
Химический анализ обнаружил снижение содержания свободной извести до 1,05%. Прочность образцов по сравнению с образцами, содержащими 40% молотого песка, снизилась незначительно.
Фазовый состав газобетона на смешанном вяжущем при различных соотношениях вяжущего и кремнеземистого компонента меняется следующим образом.
Кривая ДТА газобетона, содержащего 20% цемента, 10% молотой извести-кипелки и 70% молотого песка, характеризуется незначительными эндотермическими эффектами при 505 и 560° С (рис. 94). Первый эффект объясняется дегидратацией Ca(OH)2, а второй — кодификационными превращениями кварца.
Экзотермический эффект при температуре 800° С вызван присутствием одноосновного гидросиликата кальция CSH(B). Это подтверждается также наличием на рентгенограмме линий 3,02 и 1,81 А (рис. 95).
Термограмма образца газобетона при введении в состав до 20% извести показывает увеличение эндотермического эффекта при 505°С за счет дегидратации Ca(OH)2. Количество свободной извести незначительно возрастает и составляет 1,86%.
Экзотермический эффект при 820° С и линии 3,02 и 1,81 А на кривой ДТА (см. рис. 94) свидетельствует о наличии одноосновного гидросиликата кальция.
Причина появления эндотермического эффекта при 790° С не выяснена.
Увеличение в составе газобетона извести до 30% приводит к образованию на кривой ДТА небольшого эффекта при 450° С, свидетельствующего о наличии C2SH(A).
Более выражен эндотермический эффект дегидратации Ca(OH)2 при 495° С. Количество свободной извести по данным химического анализа возрастает до 2,08%. Эффект при 800° С вызван, вероятно, разложением CaCO3. Экзотермический эффект при 815°С относится к одноосновному гидросиликату кальция CSH(B).
На рентгенограмме (см. рис. 95) обнаруживается присутствие C2SH(A) — линии 4,25; 2,4 и 1,92А и CSH(B) — линии 3,01 и 1,8 А.
Для газобетона, содержащего 30% извести, наблюдается снижение прочности при всех значениях объемного веса (см. рис. 90).
При дальнейшем увеличении количества извести до 40% на термограмме становятся более выраженными эндотермические эффекты при 475 и 515° С, т. е. увеличивается содержание C2SH(A) и Ca(OH)2 (см. рис. 94).
Наличие а-гидрата кальция подтверждается на рентгенограмме линиями 3,52; 3,25; 2,51; 2,46 и 1,77 А. Отсутствует экзотермический эффект одноосновного гидросиликата кальция. Эндотермический эффект при 800° С связан с разложением CaCO3. Количество свободной извести по данным химического анализа достигает 4,5%.
Снижение прочности газобетона при введении 40% извести, как это видно из рис. 90, достигает 70% по сравнению с составом, содержащим 20% молотой извести-кипелки.
Подобные результаты были получены А.Т. Барановым и К.И. Бахтияровым, исследовавшими автоклавный газозолобетон.
При использовании алитового портландцемента Белгородского завода наибольшая прочность газобетона заданного объемного веса достигается при составах, содержащих 60% портландцемента и 40% кварцевого молотого песка.
Для газобетонов на известково-цементном (смешанном) вяжущем аналогичные прочностные показатели, как для газобетона на портландцементе, достигаются при составах, содержащих 20% портландцемента (типа Белгородского завода), 20% молотой извести-кипелки и 60% молотого кварцевого песка.
Исследуя влияние расхода цемента на стойкость ячеистого бетона при карбонизации, Е.С. Силаенков и Г.В. Тихомиров установили, что прочность изменяется в зависимости от расхода вяжущего. При малом содержании цемента в бетоне в период карбонизации прочность значительно снижается. С увеличением расхода вяжущего снижение прочности становится меньшим. Авторы рекомендуют для повышения долговечности расход цемента для ячеистого бетона объемным весом 700 кг/м3 доводить до 350 кг/м3. Это соответствует составу, содержащему примерно 55% цемента и 45% молотого песка.
Таким образом, как по прочности, так и по долговечности оптимальным будет являться такой состав газобетона, при котором соотношение цемента к молотому песку приближается к 1:1.
В Московском инженерно-строительном институте им. В.В. Куйбышева под руководством А.В. Волженского проводятся обширные исследовательские работы по использованию металлургических шлаков для получения различных видов бетонов автоклавного твердения. Установлено, что прочность газобетона на шлакозольных цементах в значительной степени зависит от тонкости их помола и состава. При увеличении удельной поверхности шлакового вяжущего с 3500 до 6500 см2/г прочность возрастает на 50—60%. Установлено также, что наибольшая прочность достигается только при определенном соотношении между шлаковым вяжущим и тонкомолотым кремнеземистым компонентом (песком, золой или их смесью). В зависимости от свойств сырьевых материалов состав колеблется от 1:0,5 до 1:1,2.
В НИИЖБ на протяжении ряда лет Л.М. Розенфельдом, А.Г. Нейманом и Н.Д. Камерлох проводятся исследования технологии и свойств газошлакобетона с использованием различных шлаков. Наилучшие результаты достигаются при использовании гранулированных шлаков, основных и нейтральных, с модулем активности не менее 0,2. Прочность газошлакобетона объемным весом 700—800 кг/м3 составляет 70—80 кГ/см2, а объемным весом 1000—1200 кг/м3 — до 300 кГ/см2. Состав смеси в %: гранулированный шлак 40—60; зола 30—40 или молотый песок 30—50; известь-кипелка 5—8 и двуводный гипс 5.
Упомянутыми авторами проводились также исследования фазового состава газошлакобетона. Было установлено, что высокая прочность его наблюдается при содержании 30—40% то-берморита, в котором SiO2 частично замещен Al2O3. Исследуя различные составы газошлакобетона, авторы пришли к выводу, что увеличение количества одноосновных гидросиликатов и гидрогранатов свыше 40% приводит к снижению прочности, увеличению усадочных деформаций и трещиностойкости бетона.
В Институте строительства и строительных материалов Госстроя Эстонии Ф.П. Кивисельг и Э.Г. Оямаа разработали технологию и изучили свойства разновидности ячеистого бетона — газокукермита. Этот вид бетона изготавливается из циклонной золы, получаемой при пылевидном сжигании горючего сланца — кукермита, кварцевого песка, алюминиевой пудры и воды. Циклонная зола является полиминеральным вяжущим и содержит около 20% клинкерных минералов — в основном в-C2S и около 20% свободной CaO, а также стекловидную фазу. Установлено, что на оптимальном составе при соотношении циклонной золы и песка в пределах 1:0,7; 1:1 прочность газокукермита при объемном весе 700—800 кг/м3 составляет 45—60 кГ/см2, а при объемном весе 1000—1200 кг/м3 — 105—175 кГ/см2.
Авторы отмечают, что при производстве газокукермитовых изделий схватывание смеси до автоклавной обработки обеспечивается гидратацией свободной окиси кальция. В результате автоклавной обработки происходит взаимодействие между клинкерными минералами и свободной известью, с одной стороны, и кремнеземом золы и песка, с другой. При оптимальном составе образуются гидросиликаты в основном типа CSH(B).
Б.А. Новиковым в НИИЖБ приводились исследования га-зозолосиликата. Опыт внедрения этого вида ячеистого бетона на Ступинском заводе Главмособлстройматериалов показал большое влияние активности известково-зольной смеси на прочность газозолосиликата. Как с уменьшением, так и с увеличением активности смеси от оптимальных значений прочность, а также другие физико-технические свойства газозолосиликата снижаются. При использовании золы-уноса Ступинской ТЭЦ, которая имеет следующий химический состав в %: SiCb — 39—52; Al2O3 — 17—26; Fe2O3 — 19—28; CaO — 1,6—6,7; MgO — 0,7—2,3 и п. п. п. 1,1—3,6, лучшие показатели по прочности были получены при активности известково-зольной смеси 18% с добавкой 4% гипса. На оптимальных составах прочность газозолосиликата следующая: при объемном весе 500—600 кг/м2 20—30 кГ/см2, а при объемном весе 700—800 кг/м3 55—85 кГ/см2.
Исследования, проведенные во ВНИИСтроме С.А. Кржеминским и Б.Б. Крыжановским по технологии газосиликата, показали, что при использовании качественного сырья и выдерживании определенных технологических параметров можно получить ячеистый бетон хорошего качества. Известь рекомендуется размалывать до удельной поверхности 6000— 7000 см2/г. Сроки ее гашения должны находиться в пределах 15—25 мин. Расход извести устанавливается с таким расчетом, чтобы содержание активной окиси кальция в смеси составляло 18—20% по весу. Для изготовления газосиликатных изделий рекомендуется применять кварцевые пески.
По данным Ю.М. Бутта, А.А. Майера, Н.С. Мануйловой, при взаимодействии калиевого или натриевого полевого шпата с известью в результате автоклавной обработки образуются главным образом гидросиликаты типа C2SH(A). Такой фазовый состав приводит к пониженным прочностным показателям.
Как уже было указано, в молотом полевошпатовом песке наряду с полевошпатовыми минералами находится кварц; известь реагирует с ним в первую очередь, образуя гидросиликаты кальция, основность которых зависит от содержания извести в исходной смеси, дисперсности песка и длительности автоклавной обработки.
А.В. Волженский отмечает, что прочность в таких композициях зависит не только от состава гидросиликатов, но и от толщины цементирующей пленки между зернами кварца. Чем тоньше пленка цементирующей связки, тем прочнее бетон при прочих равных условиях. На ее толщину влияют главным образом состав смеси, водовяжущее (считая и кремнеземистый компонент) отношение и дисперсность вяжущего.
