Цементные растворы: теплотехнические свойства
До последнего времени комбинированная схема ограждающих конструкций, где многослойные конструкции включают теплоизоляцию из минеральной ваты или пенополистирольных плит, считалась наиболее перспективной. Гарантийный срок службы самых лучших утеплителей — не более 15-20 лет. За один отопительный сезон пополнение влаги в конструкциях может достигать 20%, а увлажнение жестких плит средней плотности 150 кг/м3 из волокнистых утеплителей повышает теплопроводность на 8%, пенополистирольных плит — на 4%. Циклические изменения температуры и влажности за 15 лет эксплуатации приводят к снижению прочности пенополистирола более чем на 10%, а его теплозащитных свойств — на 35%. Однослойные ограждающие конструкции, которые соответствуют требованиям по теплозащите, должны иметь среднюю плотность не выше 500 кг/м3. Таким показателям соответствуют материалы из ячеистого бетона.
Из полистиролбетона (ПСБ) плотностью 150-500 кг/м3 (разработка института ВНИИ железобетона) выпускаются строительные блоки системы "Юникон". Теплопроводность ПСБ на портландцементе составляет 0,07-0,13 Вт/м°С, на шлакопортландцементе — 0,061-0,099, на комплексном шлаковом вяжущем — 0,055-0,08 Вт/м°С, при одинаковой марке по средней плотности — 150-500. Выпуск блоков из пенополистиролбетона налажен более чем на 10 российских предприятиях. В связи с малой средней плотностью подобных материалов широко внедрена кладочная схема возведения стеновых конструкций с применением укрупненных блоков массой 20-30 кг. Монолитность подобных конструкций обеспечивается использованием составов из минеральных, минерально-полимерных и полимерных связующих. В первом случае имеются в виду обычные цементные композиции — строительные растворы, а также коллоидные цементные клеи, во втором — цементно-полимерные или полимерцементные композиции, когда для повышения адгезионных свойств цементных композиций в них вводится полимерная добавка, и в третьем — композиции, в которых связующим является только полимер.
Применение обычных традиционных цементно-песчаных кладочных растворов для омоноличивания кладки из ячеисто-бетонных блоков не обеспечивает достижения необходимых теплотехнических характеристик ограждающих конструкций в целом. Имея относительно высокие показатели прочности на сжатие (0,4-1,0 МПа), традиционные кладочные растворы не относятся к классу эффективных утеплителей из-за высокой теплопроводности. Если теплопроводность блоков из особо легкого пенополистиролбетона 150-300 равна соответственно l=0,055+0,075 Вт/м°С, то теплопроводность обычных кладочных растворов выше на порядок и более. Кроме того, традиционные кладочные растворы не позволяют снизить толщину шва менее 10 мм. Теоретическое сравнение теплопотерь фрагмента стены 1000х1000х250 мм, выполненного из монолитного пенополистиролбетона, с теплопотерями фрагмента стены такого же размера, но сложенного из блоков ПСБ размерами 600х300х250 мм и толщиной шва 10 мм при использовании традиционных цементно-песчаных кладочных растворов показало, что общая теплопроводность фрагмента стены из блоков выше на 25%, что экономически невыгодно. Использование клеевых композиций благодаря повышенной дисперсности составляющих позволяет снизить толщину клеевого шва до 2-5 мм, площадь мостиков холода и общую теплопроводность фрагмента — на 15%. Отсюда ясно, что при омоноличивании ограждающих конструкций из ПСБ-блоков наиболее перспективными тенденциями являются применение клеевых композиций и снижение их теплопроводности. Было отмечено, что монтаж конструкций из ячеистых бетонов, изготовленных по резательной технологии, наиболее целесообразен с применением клеевых соединений, поскольку данная технология обеспечивает стабильные размеры блоков.
В строительстве склеивание является средством снижения массы конструкции, что имеет зачастую первостепенное значение. Клеевые стыки пролетных строений мостов (в сравнении с бетонируемыми) дают возможность сократить затраты труда в 1,5-5 раз и продолжительность устройства стыков в 9-12 раз. Использование эпоксидных клеев вместо широко используемого бетонирования стыков позволяет уменьшить не только трудоемкость монтажных работ и упростить процесс устройства стыка, но и уменьшить себестоимость почти в 5 раз. Однако соединения стыков из полимерных клеев имеют и недостатки. Это малая технологичность (особенно при температуре ниже 5°С), ограниченная теплостойкость соединения (не более 70°С), многокомпонентность и токсичность. В некоторой степени этих недостатков лишены акриловые клеи, разработанные в Харьковском ПромстройНИИпроекте. В Германии разработана технология изготовления крупноразмерных стеновых панелей склеиванием из мелкоштучных газобетонных блоков. Наиболее технологичными оказались клеи (клей Polatal, разработанный фирмой Basf), которые были стойкими в щелочной среде, характерной для газобетона.
При использовании клеевых композиций для соединения строительных материалов есть возможность соединять разнородные материалы: бетоны, металлы, пластмассы, древесину и т.д., при этом напряжения в соединении распределяются таким образом, что соединения получают хорошую устойчивость к динамической нагрузке. Удобство и рентабельность клеевых способов соединения снижают трудозатраты. Получаемые изделия имеют улучшенные геометрические характеристики внешнего вида — например, при отсутствии ярко выраженного шва получается гладкая поверхность без дефектов. Склеенные стеновые конструкции коррозионно устойчивы и имеют повышенное герметическое сопротивление за счет уменьшения площадей мостиков холода на 20%. Таким образом, теплозащитные клеевые составы должны быть дешевыми, экологически чистыми, обеспечивать высокую кинетику набора прочности, быть морозостойкими, а также иметь соответствующий комплекс реологических свойств.
Клеевые композиции подразделяются на органические (полимерные) и минеральные (жидкостекольные, цементные и др.). Самые распространенные и дешевые из полимерных клеев — композиции на основе водных дисперсий полимеров типа поливинилацетатной дисперсии ПВА, на основе стирольнокаучукового латекса СКС-65ГП, на основе акриловой эмульсии или их смесей. Набор прочности клеевого шва таких композиций происходит за счет удаления избыточной влаги из материала и образования, таким образом, относительно прочной клеевой основы. Главные недостатки этих клеев — невозможность точного прогнозирования набора проектной прочности клеевого соединения, непригодность для склеивания плотных материалов, не способных к поглощению избыточной влаги. Кроме того, эти композиции обладают недостаточной водо- и огнестойкостью. Другой подкласс полимерных клеевых композиций — составы на основе органических растворителей. Они обладают повышенными адгезионными свойствами. Приготавливаются такие клеи смешиванием всех компонентов с расчетным количеством раствора полимера в определенном растворителе до получения заданной консистенции. Такие композиции обладают всеми недостатками, присущими составам дисперсий полимеров, а именно низкой водостойкостью и горючестью, а также токсичностью. Наличие большого количества сильных летучих растворителей создает угрозу экологической безопасности окружающей среды.
Эпоксидные клеи нашли широкое применение в приготовлении клеевых композиций, герметиков и конструкционных материалов. Каталитическое отвердение таких композиций и их высокие адгезионные свойства исключают всякие ограничения по их применению. Эпоксидные клеи в одинаковой мере могут быть использованы как для склеивания пористых строительных материалов, так и для склеивания особо плотных твердых структур — таких, как металл, стекло, тяжелый бетон. Добавляя в состав тонкодисперсные минеральные наполнители (от 5% до 80% от массы классического состава), можно в широком диапазоне изменять реологические свойства композиции, ее технико-экономические показатели и области применения. Однако высокая стоимость эпоксидных клеев ограничивает возможность их применения в строительстве. Полимерные связующие имеют сравнительно низкую теплостойкость, высокую стоимость и небезвредны при изготовлении. Поэтому в ряде случаев в клеевых композициях целесообразно использовать минеральные вяжущие.
Так, для склеивания ячеистых бетонов разработана клеевая композиция на жидком стекле. Для склеивания изделий из пенополистиролбетона и других ОЛБ разработана композиция на основе натриевого жидкого стекла, отверждаемая белитосодержащими феррохромовым шлаком и портландцементом. Есть производственные жидкостекольные составы для склеивания в зимних условиях. Однако недостаток композиций на основе жидкого стекла — ограниченная плотность. Это обусловлено тем, что минеральная часть жидкостекольного вяжущего содержит от 60% до 70% воды. По мере выдерживания на воздухе вода испаряется, что вызывает повышенную усадку силикатных систем, приводящую к образованию трещин. Кроме того, жидкостекольные клеевые системы небезвредны, дороги и требуют специальной технологии применения.
Наиболее эффективными клеевыми композициями для омоноличивания блоков из ОЛБ являются клеевые составы на основе портландцемента. Они отличаются доступной стоимостью, возможностью модификации, экологической чистотой и технологичностью. Модифицирующие добавки придают цементным клеевым композициям заданные свойства: водоудерживающую способность, тиксотропность, необходимые сроки схватывания, ускоренную и регулируемую кинетику набора прочности, а также долговечность клеевого соединения (шва). Основные преимущества таких композиций — относительно высокая адгезионная прочность, высокая атмосферо-, водо- и морозостойкость, относительно низкая стоимость и распространенность составляющих, технологичность получения и применения.
Разработаны составы клеевых композиций со средней плотностью менее 1500 кг/м3 для омоноличивания изделий из особо легкого бетона. Оптимальными исходными составляющими с учетом стоимости материалов являются: бездобавочный ПЦ Белгородского завода М500 в качестве вяжущего, зола-отвал МД в качестве мелкодисперсного наполнителя, суперпластификатор С-3 и добавка эфиров целлюлозы "Тилоза" для улучшения структуры материала, адгезии и ранней прочности, а также с добавкой рваного полистирола. Недостатки этих материалов — большое количество компонентов, низкая прочность на сжатие и изгиб, особенно с плотностью 700 кг/м3. Такая композиция значительно уступает по прочности традиционным стеновым блокам.
Подготовил Вячеслав ГИЛЕВИЧ
Из полистиролбетона (ПСБ) плотностью 150-500 кг/м3 (разработка института ВНИИ железобетона) выпускаются строительные блоки системы "Юникон". Теплопроводность ПСБ на портландцементе составляет 0,07-0,13 Вт/м°С, на шлакопортландцементе — 0,061-0,099, на комплексном шлаковом вяжущем — 0,055-0,08 Вт/м°С, при одинаковой марке по средней плотности — 150-500. Выпуск блоков из пенополистиролбетона налажен более чем на 10 российских предприятиях. В связи с малой средней плотностью подобных материалов широко внедрена кладочная схема возведения стеновых конструкций с применением укрупненных блоков массой 20-30 кг. Монолитность подобных конструкций обеспечивается использованием составов из минеральных, минерально-полимерных и полимерных связующих. В первом случае имеются в виду обычные цементные композиции — строительные растворы, а также коллоидные цементные клеи, во втором — цементно-полимерные или полимерцементные композиции, когда для повышения адгезионных свойств цементных композиций в них вводится полимерная добавка, и в третьем — композиции, в которых связующим является только полимер.
Применение обычных традиционных цементно-песчаных кладочных растворов для омоноличивания кладки из ячеисто-бетонных блоков не обеспечивает достижения необходимых теплотехнических характеристик ограждающих конструкций в целом. Имея относительно высокие показатели прочности на сжатие (0,4-1,0 МПа), традиционные кладочные растворы не относятся к классу эффективных утеплителей из-за высокой теплопроводности. Если теплопроводность блоков из особо легкого пенополистиролбетона 150-300 равна соответственно l=0,055+0,075 Вт/м°С, то теплопроводность обычных кладочных растворов выше на порядок и более. Кроме того, традиционные кладочные растворы не позволяют снизить толщину шва менее 10 мм. Теоретическое сравнение теплопотерь фрагмента стены 1000х1000х250 мм, выполненного из монолитного пенополистиролбетона, с теплопотерями фрагмента стены такого же размера, но сложенного из блоков ПСБ размерами 600х300х250 мм и толщиной шва 10 мм при использовании традиционных цементно-песчаных кладочных растворов показало, что общая теплопроводность фрагмента стены из блоков выше на 25%, что экономически невыгодно. Использование клеевых композиций благодаря повышенной дисперсности составляющих позволяет снизить толщину клеевого шва до 2-5 мм, площадь мостиков холода и общую теплопроводность фрагмента — на 15%. Отсюда ясно, что при омоноличивании ограждающих конструкций из ПСБ-блоков наиболее перспективными тенденциями являются применение клеевых композиций и снижение их теплопроводности. Было отмечено, что монтаж конструкций из ячеистых бетонов, изготовленных по резательной технологии, наиболее целесообразен с применением клеевых соединений, поскольку данная технология обеспечивает стабильные размеры блоков.
В строительстве склеивание является средством снижения массы конструкции, что имеет зачастую первостепенное значение. Клеевые стыки пролетных строений мостов (в сравнении с бетонируемыми) дают возможность сократить затраты труда в 1,5-5 раз и продолжительность устройства стыков в 9-12 раз. Использование эпоксидных клеев вместо широко используемого бетонирования стыков позволяет уменьшить не только трудоемкость монтажных работ и упростить процесс устройства стыка, но и уменьшить себестоимость почти в 5 раз. Однако соединения стыков из полимерных клеев имеют и недостатки. Это малая технологичность (особенно при температуре ниже 5°С), ограниченная теплостойкость соединения (не более 70°С), многокомпонентность и токсичность. В некоторой степени этих недостатков лишены акриловые клеи, разработанные в Харьковском ПромстройНИИпроекте. В Германии разработана технология изготовления крупноразмерных стеновых панелей склеиванием из мелкоштучных газобетонных блоков. Наиболее технологичными оказались клеи (клей Polatal, разработанный фирмой Basf), которые были стойкими в щелочной среде, характерной для газобетона.
При использовании клеевых композиций для соединения строительных материалов есть возможность соединять разнородные материалы: бетоны, металлы, пластмассы, древесину и т.д., при этом напряжения в соединении распределяются таким образом, что соединения получают хорошую устойчивость к динамической нагрузке. Удобство и рентабельность клеевых способов соединения снижают трудозатраты. Получаемые изделия имеют улучшенные геометрические характеристики внешнего вида — например, при отсутствии ярко выраженного шва получается гладкая поверхность без дефектов. Склеенные стеновые конструкции коррозионно устойчивы и имеют повышенное герметическое сопротивление за счет уменьшения площадей мостиков холода на 20%. Таким образом, теплозащитные клеевые составы должны быть дешевыми, экологически чистыми, обеспечивать высокую кинетику набора прочности, быть морозостойкими, а также иметь соответствующий комплекс реологических свойств.
Клеевые композиции подразделяются на органические (полимерные) и минеральные (жидкостекольные, цементные и др.). Самые распространенные и дешевые из полимерных клеев — композиции на основе водных дисперсий полимеров типа поливинилацетатной дисперсии ПВА, на основе стирольнокаучукового латекса СКС-65ГП, на основе акриловой эмульсии или их смесей. Набор прочности клеевого шва таких композиций происходит за счет удаления избыточной влаги из материала и образования, таким образом, относительно прочной клеевой основы. Главные недостатки этих клеев — невозможность точного прогнозирования набора проектной прочности клеевого соединения, непригодность для склеивания плотных материалов, не способных к поглощению избыточной влаги. Кроме того, эти композиции обладают недостаточной водо- и огнестойкостью. Другой подкласс полимерных клеевых композиций — составы на основе органических растворителей. Они обладают повышенными адгезионными свойствами. Приготавливаются такие клеи смешиванием всех компонентов с расчетным количеством раствора полимера в определенном растворителе до получения заданной консистенции. Такие композиции обладают всеми недостатками, присущими составам дисперсий полимеров, а именно низкой водостойкостью и горючестью, а также токсичностью. Наличие большого количества сильных летучих растворителей создает угрозу экологической безопасности окружающей среды.
Эпоксидные клеи нашли широкое применение в приготовлении клеевых композиций, герметиков и конструкционных материалов. Каталитическое отвердение таких композиций и их высокие адгезионные свойства исключают всякие ограничения по их применению. Эпоксидные клеи в одинаковой мере могут быть использованы как для склеивания пористых строительных материалов, так и для склеивания особо плотных твердых структур — таких, как металл, стекло, тяжелый бетон. Добавляя в состав тонкодисперсные минеральные наполнители (от 5% до 80% от массы классического состава), можно в широком диапазоне изменять реологические свойства композиции, ее технико-экономические показатели и области применения. Однако высокая стоимость эпоксидных клеев ограничивает возможность их применения в строительстве. Полимерные связующие имеют сравнительно низкую теплостойкость, высокую стоимость и небезвредны при изготовлении. Поэтому в ряде случаев в клеевых композициях целесообразно использовать минеральные вяжущие.
Так, для склеивания ячеистых бетонов разработана клеевая композиция на жидком стекле. Для склеивания изделий из пенополистиролбетона и других ОЛБ разработана композиция на основе натриевого жидкого стекла, отверждаемая белитосодержащими феррохромовым шлаком и портландцементом. Есть производственные жидкостекольные составы для склеивания в зимних условиях. Однако недостаток композиций на основе жидкого стекла — ограниченная плотность. Это обусловлено тем, что минеральная часть жидкостекольного вяжущего содержит от 60% до 70% воды. По мере выдерживания на воздухе вода испаряется, что вызывает повышенную усадку силикатных систем, приводящую к образованию трещин. Кроме того, жидкостекольные клеевые системы небезвредны, дороги и требуют специальной технологии применения.
Наиболее эффективными клеевыми композициями для омоноличивания блоков из ОЛБ являются клеевые составы на основе портландцемента. Они отличаются доступной стоимостью, возможностью модификации, экологической чистотой и технологичностью. Модифицирующие добавки придают цементным клеевым композициям заданные свойства: водоудерживающую способность, тиксотропность, необходимые сроки схватывания, ускоренную и регулируемую кинетику набора прочности, а также долговечность клеевого соединения (шва). Основные преимущества таких композиций — относительно высокая адгезионная прочность, высокая атмосферо-, водо- и морозостойкость, относительно низкая стоимость и распространенность составляющих, технологичность получения и применения.
Разработаны составы клеевых композиций со средней плотностью менее 1500 кг/м3 для омоноличивания изделий из особо легкого бетона. Оптимальными исходными составляющими с учетом стоимости материалов являются: бездобавочный ПЦ Белгородского завода М500 в качестве вяжущего, зола-отвал МД в качестве мелкодисперсного наполнителя, суперпластификатор С-3 и добавка эфиров целлюлозы "Тилоза" для улучшения структуры материала, адгезии и ранней прочности, а также с добавкой рваного полистирола. Недостатки этих материалов — большое количество компонентов, низкая прочность на сжатие и изгиб, особенно с плотностью 700 кг/м3. Такая композиция значительно уступает по прочности традиционным стеновым блокам.
Подготовил Вячеслав ГИЛЕВИЧ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 46 за 2004 год в рубрике материалы и технологии
