Легкие кладочные растворы
В условиях повышенных требований строительной теплотехники необходимо применять для кладки изделий из поризованных керамических материалов составы с пониженной плотностью и низкими теплоизолирующими свойствами.
К таковым относятся легкие строительные растворы. Легкие кладочные смеси – это разновидность строительных растворов, характеризующихся способностью формировать в теле кладки слои, препятствующие теплопередаче. Данные составы заполняют горизонтальные и вертикальные швы между элементами кладки, при этом они имеют среднюю плотность, а показатели их теплопроводности близки к аналогичным показателям элементов кладки. Легкие кладочные смеси создают однородное термическое сопротивление по всей ширине стены.
Применение таких растворов повышает производительность труда, снижает материалоемкость и значительно улучшает качественные характеристики строительных работ.
Основные компоненты и их свойства
Кладочные растворы представляют собой смесь, состоящую из цементного вяжущего, минеральных наполнителей, легких заполнителей и модифицированных добавок.
Заполнение матрицы цементного вяжущего высокодисперсными минеральными частицами различной природы и фракционного состава является одним из способов улучшения основных характеристик сухих строительных смесей.
В качестве наполнителей в сухих строительных смесях используются карбонаты кальция и магния – продукты переработки мрамора и доломита. Нередко применяется молотый маршалит, пылевидный кварц. Данные материалы являются отходами основных производств и представляют собой не требующий дополнительного измельчения мелкозернистый наполнитель.
Характеристики смешанного вяжущего и камня на его основе во многом определяются видом наполнителя, а также его природой и структурой. Высокая дисперсность минеральных наполнителей обеспечивает повышенную пластичность и водоудерживающую способность строительных смесей, к тому же позволяет снизить расход раствора на единицу поверхности за счет его нанесения более тонким слоем.
Однако при выборе оптимальных размеров частиц наполнителей необходимо учитывать их склонность к агломерации, возрастающей по мере увеличения удельной поверхности наполнителей и седиментации, которая ускоряется по мере уменьшения удельной поверхности и повышения плотности смесей. При введении наполнителей снижается средний размер капиллярных пор, достигается их большая однородность по размерам.
В качестве наиболее перспективного наполнителя может применяться карбонат кальция. Карбонатные породы не инертны, вступают в активное физико-химическое взаимодействие с клинкерными материалами цемента и являются элементом формирования структуры цементного камня. Кроме того, по сравнению с другими наполнителями карбонат кальция обладает меньшей дисперсностью: средний размер частиц составляет 40–70 мкм. Важно помнить, что частицы наполнителя, имеющие сопоставимые с цементом размеры, способствуют уменьшению пористости композиционного материала и увеличению его плотности и прочности. При их содержании в смеси карбоната кальция на уровне 50 % прочность на сжатие смешанного вяжущего равняется 20 МПа.
Основными компонентами кладочной смеси являются легкие заполнители, которые представляют собой рыхлую смесь зерен природного и искусственного происхождения. Искусственные пористые заполнители отличаются от своих аналогов, полученных из промышленных отходов, стабильностью состава и свойств. Поэтому рекомендуется использовать их для формирования состава сухих строительных смесей.
На свойства строительных растворов заметное влияние оказывает качество заполнителей: крупность зерен, гранулометрический состав, плотность и прочность упаковки, а также сцепление между ними и цементным камнем. Следует отметить, что больше всего дефектов структуры наблюдается при контакте цементного камня с заполнителем.
При разработке составов легких кладочных растворов специалисты РУП «Институт БелНИИС» использовали такие заполнители, как керамзитовый песок, вспученный перлитовый песок, вермикулит, гранулы пенополистирола, отходы производства легких бетонов.
Наибольшей эффективностью из неорганических пористых заполнителей с точки зрения понижения плотности строительных растворов обладает вспученный перлитовый песок: при его измельчении насыпная плотность не увеличивается, а уменьшается. Частички вспученного перлита имеют непроницаемую для цементного теста структуру поверхности, поэтому в строительных растворных смесях не происходит вовлечения цементного теста внутрь перлитовых сфер.
Вспученный перлитовый песок характеризуется очень низкой плотностью и теплопроводностью, высокими звукоизоляционными свойствами, огнестойкостью, химической инертностью, к тому же он не подвержен воздействию микроорганизмов. В результате исследований установлено, что оптимальным является 15 % содержание вспученного перлита в смеси. При этом прочность на сжатие составляет 6,0–6,5 МПа, прочность на растяжение при изгибе – 2,5–2,7 МПа, средняя плотность – 900–960 кг/м3.
Значимым свойством кладочной смеси при укладке на основание из поризованных керамических блоков является водоудерживающая способность. Традиционно в качестве водоудерживающей добавки в сухих смесях используется метилцеллюлоза, которая действует как загуститель, гарантируя получение и сохранение требуемой консистенции. Водоудерживающая способность кладочных смесей без подобных добавок, как правило, составляет 85–90 %. На пористом основании смеси теряют около 10–15 % воды. При введении оптимального количества данной добавки (0,2–0,3 %) водоудерживающая способность повышается до 97–99 %.
Также одним из основных показателей качества кладочных растворов является прочность сцепления с основанием. Для улучшения данных характеристик используются редиспергируемые полимерные порошки. Они оказывают влияние на свойства растворных смесей как на стадии затворения водой, так и на этапе твердения. Именно благодаря полимерным порошкам силы адгезии оказываются больше, чем силы когезии. В результате проведенных исследований установлено, что оптимальное содержание полимерных порошков составляет 1,0–2,0 %.
Эксплуатационные характеристики легких кладочных растворов
Долговечность каменной кладки в значительной степени зависит от качества раствора.
Как известно, в холодное время года в кладке происходит миграция пара «от тепла к холоду» по капиллярам и диффузионный перенос растворов солей и щелочей. Водяной пар, стремясь выйти наружу, попадает в зону низких температур и конденсируется в порах возле наружной грани кладки. Таким образом, поры наружной промерзающей части постоянно наполняются влагой. В период холодов вода в крупных порах замерзает и при переходе в лед увеличивается в объеме на 9 % (плотность льда – 0,918). Если значение коэффициента насыщения хотя бы части пор приблизится к 1, то в их стенках возникнут большие растягивающие напряжения. Следствием данного процесса является разрушение материала, которое обычно начинается с «шелушения» кладочной поверхности и затем распространяется вглубь.
Морозостойкость растворов зависит от качества вяжущего, наполнителей и заполнителей, модифицирующих добавок растворной смеси. Значительное влияние на этот показатель оказывает характер пористости. Наличие замкнутых воздушных пор способствует улучшению характеристик морозостойкости строительных материалов, в том числе на пористых заполнителях.
Повышение морозостойкости материала может быть обусловлено формированием в его структуре определенного количества так называемых резервных пор – не заполняемых водой. Чем больше их объем, тем выше показатели морозостойкости легких строительных растворов: вода, насыщающая зерна легких пористых заполнителей, при замерзании расширяется и поступает в резервные поры, не причиняя вреда самому материалу.
Критерием определения морозостойкости строительного раствора, в том числе кладочного, является потеря им после определенного количества циклов замораживания-оттаивания механической прочности на сжатие. Показатель нормального уровня морозостойкости не превышает 25 %.
Легкие строительные растворы по причине своей высокой пористости менее морозостойки, чем тяжелые, однако, несмотря на это, подходят для применения в стеновых конструкциях зданий и сооружений.
Следует отметить, что морозостойкость кладочных составов зависит также от строения раствора. Смесь должна быть, прежде всего, равномерной: цементного теста должно хватить на образование вокруг зерен пористого заполнителя оболочек, которые уменьшают его водопоглощение, тем самым увеличивая морозостойкость раствора.
Теплопроводность легких кладочных растворов
Строительные материалы являются гетерогенными пористыми телами, и теплопроводность таких систем определяется как теплопроводностью твердых, так и аналогичными показателями газовых фаз. Теплопроводность строительного раствора значительно больше в сравнении с таким же свойством воздуха. Поэтому по мере увеличения пористости смеси показатель первого будет снижаться.
Теплопроводность материала зависит от его природы, структуры, степени пористости, характера пор, влажности, а также средней температуры, при которой происходит передача тепла. Материалы с закрытыми порами менее теплопроводны, чем их аналоги с сообщающимися порами. Мелкопористые материалы имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла.
Также значительное влияние на теплопроводность оказывает влажность материала. Влажные элементы более теплопроводны, чем сухие: теплопроводность воды в 25 раз выше в сравнении с аналогичным показателем воздуха. Поэтому увеличение влажности раствора на 1 % повышает коэффициент теплопроводности на 0,01–0,03 Вт/м • 0 С.
Теплопроводность кладочного раствора не должна превышать аналогичный показатель самого стенового материала. Средняя плотность и прочность того и другого также должны быть сопоставимы.
По материалам доклада сотрудников РУП «Институт БелНИИС»: Е. А. Урецкой, кандидата химических наук, заведующей отделом; Е. М. Плотниковой, ведущего инженера;
Ю. А. Рыхленок, заведующей лабораторией «Легкие кладочные растворы, бетон, поризованные керамические блоки»