Легкий ячеистый бетон, в который добавляют гранулы пеностекла, изготовленные из переработанного стекла, высоко ценится за способность удерживать тепло. Однако у него есть скрытая проблема: со временем на фасадах образуются трещины.
Причина разрушений и недостатки существующих методов защиты
Причина кроется в щелочно-силикатной реакции: влага просачивается внутрь стены, щелочи из цемента вступают в реакцию с кремнием из пеностекла, образуется гель, который увеличивается в объеме и повреждает бетон изнутри. Процесс ускоряется в условиях холода и повышенной влажности.
Существующие методы — применение цемента с пониженным содержанием щелочей, добавки или гидроизоляция — либо обходятся дорого, либо ненадежны, а обычная обработка гранул тальком или графитом не решает проблему.
Новое решение ученых: состав пеностекла с метакаолином
Ученые Пермского Политеха создали новый состав пеностекла, который улучшил прочность бетона на 27%.
Фото: Гранулы с метакаолином. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Результаты работы представлены в сборнике материалов конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА».
Легкий пористый бетон популярен благодаря теплоизоляции и часто применяется при возведении энергоэффективных домов. Для сохранения тепла в такой бетон вводят гранулы пеностекла, в основе которого находится почти чистый кремний. Это сырье получают из битых бутылок и оконного стекла: его измельчают, смешивают с вспенивающим агентом и нагревают до 750–850°C. Масса наполняется порами и становится легкой, напоминая пемзу. Материал не горит, не подвержен гниению и слабо пропускает холод.
Однако многие владельцы замечают на фасадах тонкие трещины, напоминающие паутину. Со временем они увеличиваются, в них попадает дождевая вода, которая зимой замерзает и разрушает бетон — подобно тому, как лед может разорвать пластиковую бутылку.
Причина — химический процесс, известный как щелочно-силикатная реакция. В сухом состоянии он не активируется. Но когда влага попадает в стену, щелочи из цемента реагируют с кремнием из пеностекла. Образуется гель, который впитывает воду, расширяется и оказывает давление на стену изнутри. Нагрузка настолько значительна, что бетон растрескивается. Без защиты такие блоки могут начать разрушаться уже через 10–15 лет после строительства. Особенно быстро этот процесс протекает в регионах с холодным и влажным климатом, например, на северо-западе России, где часты дожди и перепады температур.
В настоящее время с этой проблемой пытаются бороться разными способами, но каждый имеет недостатки. Цемент с низким содержанием щелочей снижает риск, но требует дополнительных затрат. Добавки, такие как микрокремнезем или зола, тоже помогают, но они стоят недешево, а главное — их сложно дозировать. Ошибка в дозировке может сделать добавку бесполезной или даже вредной. Гидроизоляция стен замедляет процесс, но влага все же проникает через микротрещины. Все эти варианты либо дороги, либо не обеспечивают полной защиты.
При производстве гранул пеностекла их обрабатывают порошками — тальком, графитом или мелом. Это нужно, чтобы горячие частицы не слипались в печи. Однако такие порошки работают только как разделитель и не влияют на опасную химическую реакцию в готовом бетоне. Поэтому разработчики ищут решение, которое одновременно выполняло бы обе функции: технологическую и химическую, оставаясь доступным по цене.
Разработка Пермского Политеха: состав с метакаолином
Для решения этой задачи исследователи Пермского Политеха разработали новый состав пеностекла для легкого бетона, чья прочность выросла на 27% по сравнению с существующими аналогами.
Ключевым компонентом стал метакаолин — вид алюмосиликатной глины, измельченной в мелкий порошок. В отличие от традиционных порошков (талька, графита или мела), он не только предотвращает слипание гранул, но и способен химически связывать щелочи цемента, блокируя разрушительную реакцию. Это сырье доступно и производится в России в больших объемах.
Эксперимент и результаты: прочность выросла на 27%
Фото: Подготовка образцов к экспериментам. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Для проверки ученые изготовили три партии гранул пеностекла: без добавок, с диоксидом кремния и с метакаолином. Гранулы обожгли при температуре до 800°C — это оптимальный режим, при котором кремний надежно фиксируется, но частицы не плавятся. Затем из них приготовили легкий бетон и сравнили образцы.
Фото: Виталий Альбертович Шаманов, декан строительного факультета ПНИПУ, кандидат технических наук. Источник: пресс-служба ПНИПУ
— Результаты показали, что образцы с диоксидом кремния почти не отличаются от обычных: их прочность составила 2,7 МПа против 2,6 МПа у контрольного образца. А вот бетон с метакаолином оказался значительно прочнее — 3,3 МПа, то есть на 27% выше. Кроме того, водопоглощение бетона снизилось с 13,7% до 11,9%. Чем меньше влаги впитывает материал, тем ниже риск, что опасный гель начнет набухать и разрушать стены изнутри, — рассказал Виталий Шаманов, декан строительного факультета ПНИПУ, кандидат технических наук.
Метакаолин сработал как ловушка для щелочей. Его мельчайшие частицы связывают ионы натрия и калия, которые выделяются из цемента, не давая им добраться до кремния стекла. При этом сам порошок остается на поверхности гранул и продолжает выполнять свою основную задачу — предотвращает слипание при высоких температурах.
То есть это вещество одновременно служит и разделительным слоем для гранул, и химическим щитом для бетона. В материаловедении для строительства такие добавки относят к активным минеральным компонентам. Они не просто физически заполняют пустоты, а вступают в химическое взаимодействие с вредными щелочами, нейтрализуя их.
Ученые также оценили, как такой порошок влияет на плотность гранул. Без добавок они весили 0,38 г/см³, с диоксидом кремния — 0,65 г/см³, а с метакаолином — 0,67 г/см³. Пеностекло стало плотнее, но сохранило легкость и теплоизоляционные свойства. Это означает, что при строительстве инженеры получают более прочный и одновременно легкий утеплитель, который не слеживается со временем и лучше держит форму.
Фото: Проведение эксперимента. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Итоги: преимущества новой разработки
Таким образом, разработка ученых позволяет решить сразу несколько задач. Во-первых, метакаолин предотвращает слипание гранул при производстве — это устраняет технологическую проблему. Во-вторых, он блокирует щелочно-силикатную реакцию в готовом бетоне — это решает проблему долговечности. При этом материал не теряет своих ключевых преимуществ: он остается легким, теплым и негорючим.
Для строительного бизнеса это означает возможность выпускать более качественные стеновые блоки и панели без значительного увеличения себестоимости. А для жителей — дома, которые не будут покрываться трещинами через 10-15 лет после постройки.
Современные стройка и промышленность предъявляют к конструкционным материалам требования, которые становятся всё более жёсткими. Ранее журнал «Химагрегаты» уже рассказывал об одной передовой разработке Пермского Политеха (ПНИПУ).