В настоящей статье рассматривается текущее состояние технологий производства полистиролбетона

Легкий бетон с заполнителем из пенополистирола - известный под названием полистиролбетон, представляет собой легкий бетон с минеральным вяжущим, поры которого образованы частицами вспененного пенополистирола, используемого в качестве заполнителя.

Исключительно малая объемная плотность частиц вспененного пластика позволяет производить легкий бетон с объемной массой, диапазон которой может быть выбран в соответствии с требованиями конкретной области применения, и при этом бетон имеет соответственно широкий диапазон характеристик. Легкий бетон с заполнителем из пенополистирола (полистиролбетон), теплоизоляционные штукатурки на основе пенополистиролбетона известны в течение длительного времени. В настоящей статье рассматривается текущее состояние технологий производства полистиролбетона, уделяя должное внимание использованию переработанного полистирола, а также недавно разработанных систем на основе полистиролбетона.

В то время как полистиролбетон известен на нашем рынке менее 25 лет, а на западном - более 40, до настоящего времени ожидания относительно объема использования полистиролбетона оправдались только в некоторых областях применения. Однако в промышленности строительных материалов наблюдается рост интереса к полистиролбетону, указывающий на некоторые изменения в этом отношении, вызванные главным образом следующими причинами:

- полистиролбетон стал серьезной альтернативой пенобетона и газобетона из-за более широкой области применения, простоты изготовления и значительно лучших характеристик материала;

- требования по теплоизоляции зданий становятся значительно более жесткими, вследствие этого стало необходимым функциональное разделение строительных материалов на теплоизоляционные и несущую нагрузку, и эти материалы должны должным образом сочетаться в элементах зданий. В этом отношении интересные решения предполагает использование легкого бетона с заполнителем из пенополистирола (полистиролбетона).

Описание полистиролбетона

Легкий бетон с пенополистирольным заполнителем входит в группу чрезвычайно легких бетонов, которые производятся с использование пористых заполнителей, обычно имеющих малую прочность зерен. Решающим фактором для прочностных свойств является структура затвердевшей цементной пасты, окружающей частицы заполнителей из вспененного пластика, и влияющей на массу бетона. Кроме того, важна форма и размер зерен, а также структура поверхности используемых пенополистирольных заполнителей. В отличие от минеральных заполнителей, дозировка пенополистирольных заполнителей задается не по массе, а по объему.

Таким образом, имеется возможность точно задать объем пор и благодаря этому - объемную массу полистиролбетона, и производить полистиролбетон, имеющий структуру с закрытыми порами.

Посредством выбора объемной массы бетона можно воздействовать на характеристики полистиролбетона так, чтобы они лучше соответствовали конкретным требованиям.

В свете сегодняшних требований представляет интерес полистиролбетон, объемная масса которого находится в нижнем диапазоне (600 кг/м³). В этом случае сочетание теплоизолирующего материала и бетона в одном материале предлагает строителям оптимальную комбинацию несущих свойств, звукоизоляции, термоизоляции и огнезащиты.

Уже несколько лет после изобретения пенополистиролбетона, названного Styropor (1951), компания BASF провела первые ориентировочные испытания по использованию пенополистирола в качестве заполнителя для производства полистиролбетона (стиропорбетона). Так как высокая стоимость данного сырья первоначально не позволила рентабельно использовать его в качестве легкого заполнителя, в конце 1967 года начались новые исследования, и их интенсивность стала постепенно увеличиваться. К этому времени легкие заполнители из пенополистирола стали интересной альтернативой легким минеральным заполнителям, и, несмотря на их цену, стал наблюдаться растущий интерес к новым строительным изделиям из полистиролбетона. Чтобы создать необходимые предпосылки для их выхода на рынок, компания BASF предприняла следующие меры:

- разработка рецептур различных полистиролбетонных смесей, позволяющих воспроизводить их на практике;

- подтверждение всех важных характеристик строительного материала испытаниями, проведенными официальными организациями;

- разработка и распространение способов приготовления и укладки;

- выполнение и оценка практических испытаний с целью подтверждения успешности применения;

- помощь и технические консультации для производителей материалов в отношении разработки производственных систем.

Все эти меры пройдены в нашей стране, и есть все предпосылки для активного применения полистиролбетона. В отличие от легких бетонов с минеральными заполнителями, пенобетонов, газобетонов, в случае полистиролбетона имеется возможность производства легкого бетона с объемной массой менее 200 кг/м³, и соответственно хорошими теплоизоляционными характеристиками.

Вследствие этого, дальнейшее развитие сконцентрировано на производстве полистиролбетона, попадающего в этот низший диапазон объемных масс, и в частности, на улучшении свойств легкого бетона с пенополистирольным заполнителем, технологии производства и разработке строительных систем с применением полистиролбетона.

В качестве заполнителя полистиролбетона используется пенополистирол с объемной плотностью 10-25 кг/м³, которая не оказывает влияния на конечную прочность легкого бетона.

Размер зерен вспененных частиц пенополистирола находится в диапазоне 0,5-3,5 мм, что позволяет получать мелкопористый скелет бетона и использовать сырьевой материал с размером частиц от 0,2 до 1,0 мм.

Легкий пенополистирольный заполнитель обладает следующими характерными свойствами:

- чрезвычайно малая объемная масса;

- хорошая теплоизоляция вспененных частиц, благодаря которой практически отсутствует поглощение воды;

- сферическая форма, являющаяся предпочтительной, с точки зрения статических нагрузок.

Однако в диапазоне очень низких объемных плотностей гидрофобные свойства легких пенополистирольных заполнителей с закрытыми порами могут оказывать неблагоприятное влияние, так как малая прочность сцепления между цементным тестом и поверхностью частиц может привести к расслаиванию полистиролбетона во время приготовления и укладки.

В первые годы практического применения этому эффекту противодействовали введением добавок, улучшающих прочность сцепления. По этому пути идут ряд производителей, пытаясь увеличить продажи добавок, так как западные производители и некоторые отечественные,
применяют специальные марки пенополистирола с крупнопористой поверхностью частиц или специальные устройства, позволяющие без возражений укладывать бетон, не имеющий таких добавок.

Отходы пенополистирола в качестве легкого заполнителя

В Германии в настоящее время для изготовления упаковочных материалов ежегодно используется около 40 000 тонн сырья для производства пенополистирола, из которого получается пенополистирол в объеме до 2 млн.м3. Эти упаковочные материалы содержат 98% воздуха, не содержат ни в каких количествах фторхлоруглеводов, и могут подвергаться переработке для того, чтобы вновь послужить какой-либо разумной цели.

В наше стране тоже достаточное количество отходов, а с развитием промышленности и ростом производства изделий остро встает вопрос переработки упаковки.

В этой связи были разработаны системы для вторичной переработки пенополистирола, позволяющие обеспечить полную утилизацию использованных упаковочных материалов, получаемых от промышленных, торговых предприятий и от частных потребителей.

В настоящей статье мы рассматриваем только применение отходов полистирола в легких бетонах. Мелкозернистый измельченный материал, изготавливаемый из отходов производства пенополистирольной упаковки, пригоден для использования при производстве строительных материалов: в качестве порообразующего вещества при производстве блоков, панелей, и в качестве легкого заполнителя для производства легкого бетона (полистиролбетона).

Для использования измельченного пенополистирола в качестве легкого заполнителя требуется выполнение определенных требований с целью предотвращения снижения качества бетона.

В том, что касается размеров и формы зерен, различия между измельченным материалом и свежеиспеченными частицами пенополистирола должны быть настолько малы, насколько это возможно:

- большая часть зерен должна иметь круглую форму;

- большая часть зерен должна иметь размеры, находящиеся в диапазоне от 0,5 мм до 4,0 мм;

- в измельченном материале должны отсутствовать очень мелкие частицы.

Эти требования к качеству могут быть удовлетворены при соблюдении следующих условий:

- использование соответствующих дробилок с отделением частиц пенополистирола в тачках, в которых они сплавились между собой, так что первоначальная сферическая форма зерен в очень большой степени сохраняется;

- размер частиц гранул пенополистирола, используемого для производства упаковочных материалов, обычно соответствует размеру, требующемуся для легкого пенополистирольного заполнителя, изготовленного из свежего материала, это достижимо при помощи соответствующих сит в дробилке. В настоящее время такой подготовленный измельченный материал предлагается некоторыми западными производителями упаковочных материалов по цене от 12 до 25 евро, что намного ниже уровня цен за свежевспененный легкий пенополистирольный заполнитель.

На российском рынке тоже присутствует измельченный материал, к сожалению, редко соответствующий вышеперечисленным требованиям.

Полученные в результате 28-дневных испытаний значения прочности при сжатии и изгибе, в каждом случае представляют собой средние значения для трех образцов. Испытания на прочность при сжатии проводились на кубах с длиной ребра 20 см, а испытания на прочность при изгибе - на брусках 70x15x15 см.

Прочность при сжатии образцов полистиролбетона, изготовленных с использованием пенополистирола из измельченного материала - прежде всего, в нижней части диапазона объемных масс полистиролбетона, примерно на 40 % ниже, чем у полистиролбетона, изготовленного с использованием частиц свежего вспененного пенополистирола.

Прочность на растяжение при изгибе обоих вариантов полистиролбетона в пределах указанного диапазона объемных масс находится примерно на одном уровне.

Использование пенополистирола из измельченного материала, по сравнению со вспененным пенополистиролом, не влияет на теплопроводность, так как она в первую очередь зависит от объемной массы полистиролбетона. Использование пенополистирола из измельченного материала не оказывает отрицательного влияния на требования к качеству, такие как поглощение воды, морозостойкость, огнестойкость и т. п.

Технология производства полистиролбетона

Этот раздел относится к специальным выводам по технологии производства полистиролбетона от 200 до 600 кг/м³ (сухая объемная масса), обладающего хорошими теплоизоляционными свойствами и имеющего малую массу.

В отличие от легкого бетона с пенополистирольным заполнителем, имеющего плотность более 600 кг/м³, в данном случае требуется рассмотреть некоторые специальные особенности, которые оказывают существенное влияние на однородность смеси, удобоукладываемость и подачу полистиролбетона, а также на тенденцию к трещинообразованию от усадки и расслоения.

Решающее влияние на свойства свежего полистиролбетона оказывает то, что очень большую часть его объема составляют частицы пенополистирола. В диапазоне объемной массы меньше 600 кг/м³ количество цементного раствора недостаточно, для того чтобы полностью заполнить объем пазух легкого заполнителя. Без внесения соответствующих добавок полистиролбетон в этом диапазоне объемной плотности можно укладывать и уплотнять только с большим трудом из-за его в основном несвязного характера.

Добавление большого количества воды будет вести к уменьшению прочности при сжатии и усилению тенденции к трещинообразованию от усадки и расслоения.

Чтобы узнать, как улучшить удобоукладываемость и уплотняемость полистиролбетона, производились испытания с внесением различных добавок. В результате выявлено, что наибольшие преимущества обеспечивают добавки, содержащие воздухововлекающие компоненты, а также компоненты для стабилизации и разжижения полистирол бетонной смеси. При помощи создания очень маленьких сферических воздушных пузырей (с диаметром до 0,3 мм) объем цементного раствора увеличивается, и уменьшается различие в плотности между цементным раствором и легким пенополистиролбетонным заполнением. Смесь приобретает пластичную вязкую консистенцию. Благодаря этому предотвращается всплытие пенополистирольного заполнителя даже в случае интенсивного виброуплотнения и удобоукладываемость свежего полистиролбетона значительно улучшается. Особое положение занимают белковые пенообразователи, используемые при механическом производстве воздушных пен. Они характеризуются очень стабильной структурой пены.

Подвижность и великолепная адгезия этих воздушных пен оказывает исключительно благоприятное воздействие на удобоукладываемость полистиролбетона даже в случае относительно малых водоцементных отношений.

Эластичные пенополистирольные заполнители и относительно высокая пропорция воздушных пузырей не могут противодействовать усадке затвердевшего цементного теста. Однако влияние излишне большой усадки во время схватывания и тенденцию к образованию трещин можно уменьшить, поддерживая полистиролбетон влажным в течение достаточно длительного времени. На практике очень эффективным оказалось добавление в смесь совместимых с цементом армирующих волокон. Армирующие волокна в затвердевшем скелете из цементного теста в полистролбетоне принимают на себя напряжения, возникающие при растягивающей усадке и изменения температуры во время схватывания и твердения полистиролбетона, уменьшая тем самым тенденцию к образованию трещин и значительно увеличивая прочность на растяжение при изгибе. Пена добавляется в смеситель во время приготовления смеси, для чего используется пеногенератор. Для приготовления полистиролбетона пригодны обычные смесители с принудительным перемешиванием. Гравитационные бетоносмесители пригодны только условно.

Для получения качественной смеси компоненты закладываются в определенной последовательности. Время перемешивания должно составлять примерно 2 минуты. Объемная дозировка пенополистирольного гравия может изменяться в определенных пределах, в зависимости от того, используется свежий вспененный материал или измельченный материал, которого требуется больше на 20-25%, чем вспененного.

Источник: ООО "Центр строительных технологий" https://www.polistirolbeton.ru

Содержание журнала "СЕВЕР строительный" № 8 за 2006 год

Еще статьи на тему "полистиролбетона":

Наружные ограждающие конструкции из полистиролбетона с высокой тепловой защитой

Рекомендации по применению полистиролбетона в качестве утепляющего слоя в наружных стенах жилых домов