Легкий пористый бетон с гранулами пеностекла, получаемыми из битого стекла, ценят за теплоизоляцию, но у этого материала есть скрытый недостаток: на фасадах со временем появляются трещины. Причина — щелочно-силикатная реакция: влага проникает в стену, щелочи из цемента реагируют с кремнием из пеностекла, образуется гель, который разбухает и разрушает бетон изнутри. Особенно быстро процесс идет в холодном и влажном климате. Существующие решения — специальный цемент, добавки или гидроизоляция — дороги или ненадежны, а обычное опудривание гранул тальком или графитом не помогает. Ученые Пермского Политеха разработали новый состав пеностекла, который повысил прочность бетона на 27%.
Статья опубликована в сборнике трудов конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА».
Легкий пористый бетон ценят за теплоизоляцию и часто используют для строительства энергоэффективных домов. Чтобы жилье сохраняло тепло, в такой бетон добавляют гранулы пеностекла, в основе которого — почти чистый кремний. Их получают из битых бутылок и оконного стекла: сырье измельчают, смешивают со вспенивателем и нагревают до 750–850 °C. Масса пронизывается пузырьками и становится легкой, как пемза. Такой материал не горит, не гниет и почти не пропускает холод.
Однако многие владельцы замечают на фасадах тонкие, паутинообразные трещины. Со временем они расширяются, в них затекает дождевая вода, зимой она замерзает и разрушает бетон — как лед разрывает пластиковую бутылку.
Виной всему — химический процесс, который называется щелочно-силикатной реакцией. В сухом состоянии он не начинается. Однако когда влага проникает в стену, щелочи из цемента вступают во взаимодействие с кремнием из пеностекла. Образуется гель, который впитывает воду, разбухает и давит на стены изнутри. Нагрузка настолько велика, что бетон трескается. Без специальной защиты такие блоки начинают разрушаться уже через 10-15 лет после постройки. Особенно быстро процесс идет в регионах с холодным и влажным климатом — например, в северо-западной части России, где частые дожди и перепады температур.
Сегодня эту проблему пытаются решить разными способами, но каждый из них имеет ограничения. Специальный цемент с низким содержанием щелочей снижает риск, но требует дополнительных расходов. Добавки вроде микрокремнезема или золы тоже помогают, но они недешевы, а главное — их трудно точно отмерять. Чуть пересыпал или недосыпал, и добавка уже не работает как надо, а иногда даже вредит. Гидроизоляция стен замедляет процесс, но влага все равно проникает через микротрещины. Все эти методы либо слишком затратны, либо не дают полной гарантии.
Между тем, при изготовлении гранул пеностекла их опудривают порошками — тальком, графитом или мелом. Это нужно, чтобы горячие частицы не слипались в печи. Однако такие опудриватели работают только как разделитель и никак не влияют на опасную химическую реакцию в готовом бетоне. Поэтому разработчики ищут способ, который одновременно решал бы обе задачи: и технологическую, и химическую, — оставаясь при этом доступным.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали новый состав пеностекла для легкого бетона, прочность которого выросла на 27% по сравнению с существующими аналогами.
Ключевым компонентом стал метакаолин — разновидность алюмосиликатной глины, которую перемалывают в тончайший порошок. В отличие от традиционных опудривателей (талька, графита или мела), он не просто предотвращает слипание гранул, но и способен химически связывать щелочи цемента, блокируя разрушительную реакцию. Это доступное сырье, которое производится в России в больших объемах.
Чтобы проверить это на практике, 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 сами частицы не плавятся. Затем из них замесили легкий бетон и сравнили образцы.
— 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 опудриватель 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 строительном материаловедении такие добавки классифицируются как активные минеральные компоненты. Они не просто физически заполняют пустоты, а вступают в химическое взаимодействие с вредными щелочами, нейтрализуя их.
Ученые также проверили, как такой опудриватель влияет на плотность самих гранул. Без добавок они стали весить 0,38 г/см³, с диоксидом кремния — 0,65 г/см³, а с метакаолином — 0,67 г/см³. Пеностекло стало плотнее, но при этом сохранило легкость и теплоизоляционные свойства. Это значит, что при строительстве инженеры получают более прочный и одновременно легкий утеплитель, который не слеживается со временем и лучше держит форму.
Следовательно, разработка ученых позволяет решить сразу несколько важных задач. Во-первых, метакаолин предотвращает слипание гранул при производстве — это решает технологическую проблему. Во-вторых, он блокирует щелочно-силикатную реакцию в готовом бетоне — это решает проблему долговечности. При этом материал не теряет своих главных преимуществ: он остается легким, теплым и негорючим.
Для строительного бизнеса это означает возможность выпускать более качественные стеновые блоки и панели без существенного увеличения себестоимости. А для жителей — дома, которые не будут покрываться трещинами через 10-15 лет после постройки.