Стойкость газобетона в эксплуатационных условиях зависит от величины деструктивных процессов, происходящих в материале при воздействии на него физических и химических факторов. В первом случае разрушение может наступить только тогда, когда возникающие напряжения превысят прочность силикатной связки, цементирующей материал.
При воздействии химических факторов, в частности углекислого газа, находящегося в воздухе, происходит разрушение гидросиликатных и гидроалюминатных соединений кальция с выделением аморфной кремнекислоты.
Деструктивный процесс, происходящий в газобетоне при воздействии углекислого газа, характеризуется снижением прочности на 25-30%, увеличением усадки в 3-4 раза и снижением динамического модуля упругости на 30-35%.
На рис. 1 показана кинетика нарастания усадки газобетона во времени. Первичная усадка, происходящая от высыхания материала, может продолжаться в течение года и более. Вторичная усадка как результат воздействия углекислого газа превышает усадку в период высыхания; при этом обнаруживается тенденция к постепенному её затуханию.
Известны попытки повысить стойкость ячеистого бетона к воздействию углекислого газа. В НИИЖБ было предложено использовать пористый заполнитель типа керамзита. В количестве 20% от массы сухих материалов он практически не влияет на физико-механические свойства материала при условии, если объемная масса заполнителя будет равна или меньше расчетной объемной массы ячеистого бетона. Благодаря уменьшению количества новообразований в единице объёма газобетона усадка карбонизированного материала несколько снижается.
Свердловским ПромстройНИИпроектом предложены три способа повышения стойкости ячеистых бетонов:
увеличение расхода цемента (максимальная степень карбонизации бетона с расходом вяжущего 100 кг/м3 составляет около 90%, а бетона с расходом вяжущего 500 кг/м3 – около 60%);
подбор минералогического состава цемента таким образом, чтобы содержание трехкальциевого алюмината было минимальным (около 6%), а отношение минералов C3S:C2S находилось в пределах 2,5:3;
добавка цемента для газосиликатных изделий.
Чтобы проверить перечисленные способы, необходимо было сопоставить методику исследования влияния СO2 на стойкость ячеистого бетона, предложенную НИИЖБ, с методикой Свердловского ПромстройНИИпроекта.
Первая заключается в том, что образцы газобетона после автоклавной обработки сушат до постоянной массы при 100°С±5°, а затем устанавливают над водой в закрытом сосуде для приобретения газобетоном адсорбционной влажности, соответствующей эксплуатационной влажности конструкций из ячеистого бетона. Далее образцы помещают в карбонизационную камеру над водой, где подвергают воздействию 100%-ной увлажненной углекислоты в течение 12-16 сут. при нормальном давлении. Первые 3 сут. Ежедневно, а затем через каждые 3 сут. проводится испытание на степень карбонизации, увеличение объемной массы, прочность на сжатие, усадку и динамический модуль упругости.
По методу Свердловского ПромстройНИИпроекта образцы после автоклавной обработки высушивают при 100°С до постоянной массы, а затем увлажняют на 16%. Увлажненные образцы выдерживают в течение 1 сут. над водой для равномерного распределения влаги по образцу и карбонизируют в герметическом сосуде над водой 100%-ным углекислым газом при давлении 1,25 ат. В заданные сроки образцы извлекают из камеры, высушивают до постоянной массы и подвергают соответствующим испытаниям.
Сравнительные испытания показали, что оба способа дали одинаковые результаты. Учитывая, что второй способ более сложен, в дальнейших исследованиях мы использовали способ НИИЖБа.
Проверка способа повышения стойкости газобетона к воздействию углекислого газа заменой части вяжущего пористым легким заполнителем, не реагирующим с углекислым газом, что усадочная деформация в процессе карбонизации уменьшилась на 45%. Такое же явление наблюдается и для других видов ячеистого бетона.
С увеличением количества цемента усадка газобетона не уменьшается, а, наоборот, увеличивается (рис. 3). Так, при использовании цемента в количестве 100 кг/м3 газобетон в [процессе карбонизации дает усадку, равную 1,9 мм/м, с увеличением цемента до 200 и 300 кг величина усадки не изменяется, а при использовании 400 кг цемента усадка резко увеличивается и доходит до 2,75 мм/м. Прочность при сжатии во всех случаях составляет 70-75% от первоначальной.
Таким образом, в наших исследованиях не наблюдалось закономерности по прочностным показателям, а усадочные деформации возрастали. Это можно объяснить тем, что авторы, карбонизируя пенобетон в течение 46 ч, не доводили его до 100%-ной карбонизации.
Проверка предложения по использованию цемента с соотношением C3S:C2S в пределах 2,5-3 и с содержанием трехкальциевого алюмината не более 6% подтвердила возможность получения незначительного эффекта. Этот эффект наблюдается при использовании белгородского цемента, который относится к малоалюминатным, а по содержанию гидросиликатов кальция близок к рекомендуемым соотношениям C3S:C2S.
Предложение Е. С. Силаенкова и др. по повышению стойкости газосиликата к воздействию углекислого газа добавкой цемента (до 40%) взамен извести и при отношении CaO:SiO2 в пределах 0,5-0,9 представляет определенный интерес. Рекомендуемый состав газосиликата приближается к составу газобетона на смешанном вяжущем. Такой газобетон после карбонизации дает усадку в 2 раза меньшую, чем газобетон на цементе или газошлакобетон. Однако и эта усадка (1,8-2 мм/м) не может избавить от усадочных трещин в процессе эксплуатации материала.
Таким образом, проверка существующих способов показала возможность частичного повышения стойкости ячеистого бетона к воздействию углекислого газа.
Учитывая это, мы попытались направить свои исследования по другому пути. Так как необходимым предварительным условием реакции углекислого газа с минералами газобетона является адсорбция его на поверхности газобетона, а дальнейшее проникновение вглубь зависит от количества микрокапилляров, образовавшимся за счет воды затворения, можно предположить, что наиболее эффективными способами защиты ячеистого бетона от воздействия углекислого газа могут быть закупорка микрокапилляров инертными к углекислому газу веществами и создание на поверхности ячеистого бетона плотной пленки, не реагирующей с углекислым газом.
Нами разработан способ, позволяющий объёмно гидрофобизировать ячеистый бетон и одновременно максимально увеличить его стойкость к воздействию углекислого газа. Он заключается в том, что в состав бетона при его изготовлении вводится тонкоизмельченный битум марки 5. В случае сухого помола кремнеземистого компонента битум предварительно подвергается помолу совместно с минеральным компонентом (известняк, известь-кипелка, зола) в соотношении от 1:1 до 1:2.
Тонкомолотая смесь (3000-3500 см2/г) добавляется в газобетономешалку, где готовится раствор газобетона. При мокром помоле кремнеземистого компонента предварительно раздробленный битум подается в мельницу мокрого помола совместно с песком.
Для изучения стойкости газобетона к воздействию углекислого газа изготовлены образцы газобетона с добавкой битума в количестве 10 и 15% от массы сухих веществ (за счет вяжущего и песка в равных соотношениях). Параллельно готовились контрольные образцы газобетона, но без добавки смеси.
Часть образцов после автоклавной обработки с содержанием 12-16% влаги помещали в карбонизатор, а остальную часть вместе с образцами, содержащими битум, предварительно сушили при 110°С±5° до полного удаления влаги, а затем помещали в карбонизатор, на дне которого находилась вода. Подача влажного 100%-ного углекислого газа продолжалась в течение 26 сут.
Как видно из рис. 4 (кривая 4), газобетон с содержанием 12-15% влаги сразу же начинает подвергаться карбонизации и уже к 12 сут. полностью карбонизируется, давая усадку свыше 2 мм/м. Такой же эффект получен и для газобетона, ‚предварительно высушенного при 110°С±5°. Только в этом случае вначале происходит набухание материала по 0,8 мм/м, но затем образец быстро принимает первоначальный размер и к 12 сут. карбонизации усадка его доходит до 1,4 мм/м (кривая 1).
По-другому ведет себя газобетон с добавкой 15% битума, предварительно высушенный при 110°С±5° (кривая 2). В течение первых суток происходит набухание материала до 0,8 мм/м, и в таком состоянии он находится 26 сут. Газобетон с содержанием 10% битума в первые сутки также показал набухание материала 0,8 мм/м. Затем набухание образца стало уменьшаться и к 18 сут. снизилось до 0,2 мм/м, после чего в последующие 10 сут. не наблюдалось каких-либо изменений.
Такое явление, по-видимому, можно объяснить тем, что битум, находящийся в капиллярах после удаления воды при 110°С, расплавляется и обволакивает тончайшей пленкой внутреннюю поверхность капилляра. Тем самым создаются условия, препятствующие проникновению углекислого газа к минералам газобетона. Возможно и другие агрессивные газы также могут задерживаться такой пленкой, защищающей ячеистый бетон от коррозии.
Выводы
- С увеличением количества вяжущего (цемента) в газобетоне стойкость к длительному воздействию углекислого газа сильно снижается.
- Добавка цемента взамен извести в количестве 40% способствует уменьшению усадки на 30-40%. Получаемый материал соответствует составу газобетона на смешанном вяжущем, который после карбонизации характеризуется меньшей усадкой, чем газобетон на цементе или газошлакобетон.
- Наиболее эффективным способом создания устойчивого в отношении усадочных деформаций ячеистого бетона к воздействию углекислого газа является добавка тонкоизмельченного битума марки 5 в процессе изготовления газобетона.