Разработка пермяков поможет предотвратить разрушение зданий

Новости МирТесен

Пористый бетон, содержащий гранулы пеностекла, изготовленные из переработанного битого стекла, высоко ценится за его теплоизоляционные свойства, однако у этого материала присутствует и скрытый дефект: со временем на фасадах возникают трещины. Проблема заключается в щелочно-силикатной реакции: влага проникает в структуру стены, щелочи, содержащиеся в цементе, взаимодействуют с кремнием, входящим в состав пеностекла, формируя гель, который увеличивается в объеме и разрушает бетон изнутри. Этот процесс ускоряется в условиях холодного и влажного климата. Текущие методы решения – использование специального цемента, присадок или гидроизоляции – либо затратны, либо неэффективны, а простое нанесение тальковой или графитовой пыли на гранулы не оказывает должного эффекта. Специалисты Пермского Политеха создали новую рецептуру пеностекла, увеличившую прочность бетона на 27%.

Статья опубликована в сборнике трудов конференции «Современные технологии в строительстве. Теория и практика».

Пористый, легкий бетон высоко ценится благодаря своим теплоизоляционным свойствам и находит широкое применение в строительстве энергоэффективных зданий. Для повышения теплосбережения в такой бетон добавляют гранулы пеностекла, основу которого составляет практически чистый кремний. Сырье для производства пеностекла получают из переработанного битого стекла, такого как бутылки и оконные стекла: его измельчают, смешивают со вспенивателем и нагревают до температуры 750–850°C. В результате образуется масса, насыщенная пузырьками, и она становится легкой, подобно пемзе. Этот материал не подвержен воздействию огня, не гниет и обладает низкой теплопроводностью.

Несмотря на это, многие владельцы домов обращают внимание на появление тонких, паутинообразных трещин на стенах. С течением времени эти трещины увеличиваются, в них проникает дождевая вода, которая зимой замерзает и приводит к разрушению бетона, подобно тому, как лед раскалывает пластиковую бутылку.

Инициируется этот процесс щелочно-силикатной реакцией. Она не проявляется в сухом виде. Но при попадании влаги в конструкцию, щелочи, содержащиеся в цементе, начинают взаимодействовать с кремнием, входящим в состав пеностекла. В результате формируется гель, который поглощает воду, увеличивается в объеме и оказывает давление на стены изнутри. Возникающая нагрузка может быть настолько сильной, что бетон растрескивается. Без соответствующей защиты такие конструкции начинают приходить в негодность уже через 10–15 лет после возведения. Наиболее интенсивное развитие процесса наблюдается в регионах с холодным и влажным климатом, таких как северо-запад России, где характерны частые дожди и колебания температуры.

В настоящее время для решения данной проблемы применяются различные подходы, однако у каждого из них есть свои недостатки. Использование цемента со сниженным содержанием щелочей позволяет уменьшить вероятность возникновения нежелательных реакций, но влечет за собой дополнительные финансовые затраты. Применение добавок, таких как микрокремнезем или зола, также способствует решению вопроса, однако эти материалы довольно дороги, и их дозировка должна быть строго выверена. Небольшое отклонение в количестве добавки может привести к снижению эффективности или даже негативным последствиям. Гидроизоляция стен замедляет развитие процесса, но влага продолжает проникать через микротрещины. Все перечисленные методы либо слишком дороги, либо не обеспечивают абсолютную защиту.

В процессе производства гранул пеностекла их посыпают порошками, такими как тальк, графит или мел. Это необходимо для предотвращения слипания горячих частиц в печи. Однако такие добавки выполняют лишь функцию разделителя и не оказывают влияния на нежелательную химическую реакцию в готовом бетоне. В связи с этим разработчики стремятся найти решение, которое бы одновременно справлялось с обеими задачами – технологической и химической – при сохранении экономической целесообразности.

Ученые Пермского Политеха создали инновационную композицию пеностекла, предназначенную для использования в легком бетоне. Новая разработка позволила повысить прочность материала на 27% по сравнению с уже доступными аналогами.

Метакаолин, представляющий собой разновидность алюмосиликатной глины, измельчается до состояния тончайшего порошка и стал важным компонентом. В отличие от обычных опудривателей, таких как тальк, графит или мел, он не только препятствует слипанию гранул, но и способен посредством химической реакции связывать щелочи цемента, тем самым подавляя деструктивный процесс. Данное сырье является экономически выгодным и добывается в России в значительных количествах.

Для экспериментальные исследования были созданы три серии гранул пеностекла: без использования дополнительных компонентов, с добавлением диоксида кремния и с метакаолином. Обработка гранул осуществлялась путем обжига при температуре до 800°C – это оптимальный температурный режим, обеспечивающий надежную фиксацию кремния, но исключающий плавление частиц. После этого из полученных гранул приготовили легкий бетон и провели сравнительный анализ образцов.

— Анализ результатов выявил незначительные различия между образцами с диоксидом кремния и контрольными: прочность первых составила 2,7 МПа, в то время как у контрольных она равнялась 2,6 МПа. Бетон, содержащий метакаолин, продемонстрировал существенно более высокую прочность – 3,3 МПа, что на 27% превышает показатель обычного бетона. Также было отмечено снижение водопоглощения материала с 13,7% до 11,9%. По словам Виталия Шаманова, декана строительного факультета ПНИПУ и кандидата технических наук, уменьшение количества влаги, поглощаемой материалом, снижает вероятность набухания и разрушения стен опасным гелем изнутри.

Метакаолин послужил своеобразным барьером для щелочных компонентов. Его микроскопические частицы фиксируют ионы натрия и калия, образующиеся в процессе гидратации цемента, препятствуя их воздействию на стекловидный кремний. При этом модификатор остается на поверхности гранул и продолжает выполнять свою ключевую функцию – снижает риск комкования при повышенных температурах.

Благодаря своим свойствам, это вещество выполняет две функции: оно разделяет гранулы и защищает бетон. В области строительных материалов такие добавки относят к активным минеральным компонентам. Они не только заполняют свободное пространство, но и взаимодействуют химически с агрессивными щелочами, устраняя их воздействие.

Исследователи также оценили воздействие данного оборудования на плотность гранул. Без использования добавок их вес составлял 0,38 г/см³, с диоксидом кремния – 0,65 г/см³, а с метакаолином – 0,67 г/см³. Пеностекло стало более плотным, однако сохранило свои характеристики легкости и способности к теплоизоляции. Это позволяет строителям использовать более надежный и при этом легкий утеплитель, который не деформируется с течением времени и лучше сохраняет свою структуру.

Таким образом, предложенное учеными решение позволяет одновременно выполнить ряд ключевых задач. Прежде всего, метакаолин препятствует комкованию гранул в процессе производства, что устраняет технологическую сложность. Кроме того, он подавляет щелочно-силикатную реакцию в конечном бетоне, тем самым обеспечивая его долговечность. При этом материал сохраняет свои основные достоинства: он остается легким, теплоизоляционным и негорючим.

Это открывает строительным компаниям перспективы производства более качественных стеновых блоков и панелей, не приводящих к значительному росту производственных затрат. А для будущих владельцев жилья – это гарантия долговечности домов, которые не будут иметь трещин через десятилетие-полтора после возведения.

Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ