Завдяки чудовим якісним характеристикам, автоклавний газобетон (АНБ) - дуже популярний будівельний матеріал, який є лідером серед стінових кладочних матеріалів у багатьох країнах світу. АНБ масово виготовляється майже 100 років. Досвід і десятки дослідницьких програм доводять, що це хороший і довговічний матеріал, до того ж екологічний. На жаль, у багатьох країнах історія виробництва автоклавного газобетону коротша.
Ми розглянемо дослідження AНБ блоків з різими марками густини, які зберігалися протягом багатьох років у природних умовах і регулярно перевірялися на відповідні властивості. Крім того, ця дослідницька програма включає випробування блоків АНБ зі знесених будівель і випробування блоків після впливу кліматичних камер CO2 в лабораторії. Вік цих будівель коливався від 25 до 60 років. Аналіз мінералогічного складу і мікроструктури у всіх зразках дозволив визначити момент, коли гідратовані силікати кальцію C-S-H, головним чином тоберморит, досягають майже 100% рекарбонізації. Ці розрахунки можна використовувати для визначення тривалості життя будівель, що складаються з автоклавного газобетону.
Автоклавний газобетон є одним з найпопулярніших матеріалів для кладки стін. Технологія виготовлення газобетону постійно розвивається, а завдяки її гнучкості можна виготовляти відносно схожу продукцію, використовуючи різну сировину. Витоки АНБ у Польщі датуються 1951 роком. З часом розроблено багато технологій виробництва автоклавного газобетону на основі піску або золи-винесення, яка утворюється при спалюванні вугілля [1]. В останні роки було проведено низку досліджень щодо зміни складу АНБ з різними добавками, такими як цеоліти [2-4], вапнякове борошно [5], склобій [6] або зола-винесення від спалювання бурого вугілля в котлах з киплячим шаром [7-9]. Як показала будівельна практика, AНБ міцний, надійний і стійкий до погодних умов. При розробці EPD - екологічної декларації для повного життєвого циклу продукту, необхідно визначити термін служби виробу. Наразі обидві дорожні карти для АНБ розроблені Європейською асоціацією автоклавного газобетону та Британською федерацією залізобетонних виробів, чітко вказують на життєвий цикл АНБ у 150 років [10-11].
Умови, що впливають на відкриті стіни з кладкою блоків АНБ передусім включають контакт з вуглекислим газом CO2, що міститься в повітрі. Карбонізація матеріалів на основі цементу та/ або вапна - це природне явище. Основний продукт гідратації в процесі автоклавування АНБ - тоберморит C5S6H5. Для того щоб карбонізація відбулася, вуглекислий газ присутній у повітрі має подолати бар'єр у вигляді штукатурки, і часто теплоізоляції стін, щоб потрапити всередину матеріалу. Тоді вуглекислий газ розчиняється у поровій воді з утворенням вугільної кислоти, яка може реагувати з оксидом кальцію, отриманим з гідратованих силікатів кальцію C-S-H, включаючи тоберморит. Реакцію можна представити так [12-18]:
Карбонізація буде супроводжуватися збільшенням об'єму і ваги блоку, що у випадку з газобетоном не є негативним явищем через його пористу структуру. Деякі дослідження показують, що газобетон зазнає майже повної карбонізації після 60 років, тому періодом його корисного використання слід вважати принаймні 95% цього часу, проте в подальшому, ймовірно, час його використання буде суттєво обмеженим [19]. На теперишній час, шістдесятирічні будівлі мали бути побудовані не пізніше 1963 року. У січні 1966 року в Польщі працювало 11 заводів АНБ, які виробляли 1,8 млн м3 блоків для кладки на рік. У 1962 році виробнича потужність польських заводів становила 1,2 млн м3 на рік, що становило друге місце за результатом в Європі, відразу після Швеції, яка на той час виробляла близько 2 млн. м3 на рік. У тому ж році обсяг виробництва в Німеччині складав лише 0,46 млн м3 на рік. У ті роки в Польщі вже існувало кілька заводів з виробництва АНБ, на яких виробничий процес базувався на технологіях, наведених у Таблиці 1 [1].
Таблиця 1: Технології виробництва АНБ, доступні в Польщі в січні 1966 року.
| Технологія | В'яжуче | Заповнювач | |
| UNIPOL | Пісок | Цемент + вапно + гіпс + деяка частина заповнювача |
Пісок (мокрого помелу) |
| Зола-винесення | Кремниста зола-винесення | ||
| Суміш піску і золи-винесення |
Суміш піску та кремнистої золи-винесення (мокрого помелу) |
||
| SW | Цемент + вапно | Пісок (мокрого помелу) | |
| PGS | Вапно + гіпс + деяка частина золи-винесення | Кремниста зола-винесення | |
| BLB | Белітовий цемент | Пісок (мокрого помелу) | |
Як бачимо, у 1960-х роках польська індустрія автоклавного газобетону розвивалася дуже швидко, використовуючи багато виробничих варіантів, що забезпечували випуск схожої за характеристиками продукції. Враховуючи 60 років передбачуваного терміну експлуатації кладки з АНБ і виробничу потужність польських заводів на рівні від 1,2 млн.м3 на рік у 1962 році до 1,8 млн.м3 на рік у 1966 році, Польща "повинна" пережити значну кількість будівельних катастроф, спричинених закінченням терміну експлуатації АНБ. Припускаючи, що на один будинок припадає приблизно 50 м3 газобетону, близько 24 000 будинків було побудовано в 1962 році і 36 000 будинків в 1965 році. Беручи до уваги той факт, що виробництво газобетону у Польщі розпочалося ще в 1951 році, сотні тисяч будинків з автоклавного газобетону були побудовані до 1965 року. Тому здається дуже ймовірним, що припущення про "60 років" є помилковим, оскільки немає жодних ознак того, що будинки 1950-х і 1960-х років потрібно зносити через проблеми зі стінами з газобетону. Тому дослідження має на меті показати надійні результати, які визначать, як відбувається процес карбонізації в автоклавному газобетоні, і який сценарій тривалості життя продукту - 60 чи 150 років - є реалістичним.
Дослідження
Програма досліджень спрямована на визначення кількісних змін тобермориту у зразках АНБ за проміжок часу. Дослідження складається з двох взаємопов'язаних етапів. Перший етап полягає у спостереженні за кладкою АНБ блоків, що піддавалися впливу природних погодних умов (за виключенням опадів), та аналізу складу газобетону, отриманого в результаті знесення існуючих будівель віком близько 60 років.
Аналіз мінералогічного складу за допомогою рентгеноструктурного аналізу та спостереження під мікроскопом були проведені для всіх зразків. Слід зазначити, що досліджувані зразки блоків кладки походять зі знесених будівель, а причиною знесення було перепланування постіндустріального району.
Дослідження першого етапу охоплюють блоки густиною 600, щоб включити для порівняння матеріал максимально наближений до того, що використовувався у 1950-х та 1960-х роках, з максимальним періодом спостережень 5 років. Дослідження другого етапу включають блоки з густиною 700, яка була найпопулярнішою в ті роки в Польщі. На цьому етапі дослідження аналіз проводився для зразків віком 25, 50 та 60 років.
Результати
Перед витримкою, склад АНБ досліджували прямо з автоклава, де було виявлено, що карбонати кальцію присутні на рівні 1-2%, залежно від марки густини. Кладка АНБ потім піддавалися впливу погодних умов. Зразки були захищені від дощу лише шляхом розміщення над ними навісу. Мінералогічний склад проаналізовано через різні проміжки часу за допомогою рентгеноструктурного аналізу та спостережень за допомогою растрового мікроскопа. Результати досліджень, проведених протягом 5 років, показані на Мал. 1 як ступінь карбонізації.
Хімічний склад зразків був визначений на основі хімічних аналізів сировини що використовується для виробництва АНБ, та аналізу виробничих формул. Додатково, хімічний склад підтверджено рентгеноструктурним та рентгенофлуоресцентним аналізом для подвійної перевірки отриманих результатів.
Результати визначення ступеня карбонізації для зразків з існуючих будівель та зразків з будівель що були знесені, показано на Мал. 2. Ступінь карбонізації розраховували на основі хімічного складу досліджуваних зразків. На основі рентгеноструктурного та рентгенофлуоресцентного аналізів встановлено початковий вміст оксидів кальцію CaO, та діоксиду кремнію SiO2, після чого визначено ступінь карбонізації досліджуваних зразків.
Зразки віком близько 60 років були взяті з двох різних будівель. В обох випадках рентгеноструктурний аналіз показав наявність тобермориту у мінералогічному складі зразків. Присутність тобермориту також була підтверджена спостереженнями під растровим мікроскопом, де кристали тобермориту все ще були присутні, як показано на Мал. 4, а також аналізом за методом кольорової електронної мікроскопії (colorSEM), як показано на Мал. 5.
Малюнок 1 Ступінь карбонізації зразків на першому етапі тестування.
Малюнок 2 Ступінь карбонізації зразків на другому етапі тестування.
Малюнок 3 Рентгеноструктурний аналіз зразка віком 60 років.
Малюнок 4 Вигляд зразка віком 60 років під електронним мікроскопом.
Малюнок 5 Вигляд зразка віком 60 років під електронним мікроскопом.
Обговорення результатів дослідження
У проведених дослідженнях розглядали карбонізацію АНБ на двох окремих стадіях, і може скластися враження що карбонізація є майже лінійним процесом, виходячи з якого дійсно може виявитися, що газобетон завершить свій життєвий цикл набагато раніше, ніж це випливає з будівельної практики. Тому дослідження було спрямоване на поглиблений аналіз "загальної картини", включно з періодом, що настає одразу після виробничого процесу. Поєднання цих двох етапів в один дає іншу картину розвитку карбонізації, як показано на Мал. 6.
Як видно, процес карбонізації починається досить швидко, проте через деякий час значно сповільнюється. Зверніть увагу, що початковий ступінь карбонізації (результат кроку 1) може бути відносно високим, оскільки блоки не мали шару штукатурки або теплоізоляції, які б перешкоджали проникненню CO2 в матеріал. На практиці, у більшості ситуацій АНБ покритий якоюсь ізоляцією, що ускладнює проникнення СО2, як показано на Мал. 7.
Додатковим фактором є вологість АНБ, яка зменшується з роками і залишається на дуже низькому рівні. Низький вміст вологи в стінах означає менший вміст порової води, а отже, зменшення швидкості реакції карбонізації. Ще одним фактором, що уповільнює реакцію з часом, є ущільнення структури цементного каменю за рахунок утворення карбонату кальцію та силікагелю, що ускладнює проникнення CO2 в матеріал.
Малюнок 6 Розвиток процесу карбонізації в АНБ.
Малюнок 7 Проникнення CO2 у стіну АНБ.
Висновки
Проведені дослідження та аналіз чітко демонструють, що припущення про повну карбонізацію АНБ через 60 років є неправильним. Досвід будівництва, а також аналіз існуючих будівель і тих, що призначені до знесення, чітко показують, що через 60 років тоберморіт все ще присутній у внутрішній структурі АНБ. Інший момент, який чітко продемонстрував аналіз процесу карбонізації, полягає в тому, що припущення, яке було викладене в дорожній карті, розробленій Європейською асоціацією автоклавного газобетону та Британською федерацією залізобетонних виробів, тобто встановлення терміну служби кладки з газобетону до 150 років, є реалістичним. При аналізі життєвого циклу ніздрюватого бетону необхідно враховувати "загальну картину", оскільки результати часткових випробувань можуть помилково свідчити про те що карбонізація є лінійним процесом. Найважливішим є те, що закінчення карбонізації не є кінцем життя для кладки з блоків АНБ, і не є кінцем життя будівлі. Незважаючи на ступінь карбонізації, властивості автоклавного газобетону залишаються на стабільному рівні.