Геополимерный бетон: описание с фото, характеристики

История создания

В 1978 году французу Джозефу Давидовичу удалось разработать бетон из геополимеров. Идея возникла в результате наблюдения за естественными процессами, происходящими в природе. Французский ученый заметил, что часть компонентов геологического происхождения полимеризуются, если начинают взаимодействовать с щелочными средами. Были проведены разнообразные опыты, задачей которых стало выявление поэтапного плана для обеспечения процесса получения геополимера. Материал известен именно под этим названием.

По мнению изобретателя, монолитное строительство широко применялось для создания пирамид в Гизе. Ученый смог определить состав монолитных блоков, из которых выполнены пирамиды. Несмотря на то, что эту теорию стараются оспорить, великолепные свойства бетона из геополимеров обеспечивают ему огромную популярность. Рецептура с тех пор перетерпела некоторые изменения, современный геополимерный бетон является материалом, который безвреден для окружающих и представляет огромную конкуренцию для обычных бетонных составов.

Характеристики материала позволяют использовать его для строительства высотных зданий. Компоненты, присутствующие в составе смеси, обеспечивают поддержку благоприятного климата внутри помещения. Структура конечного материала позволяет вдвое или втрое снижать толщину стен при осуществлении строительства, на комфорт в помещении это не повлияет.

Перспективы применения геополимерного бетона:

С каждым днем возрастает потребность в строительных материалах и прежде всего в бетоне , основным ингредиентом которого является обыкновенный портландцемент.

В настоящее время только производство цемента на территории Российской Федерации составляет более 68 млн. тонн в год, а бетонных изделий – 30 млрд. м 3 в год.

Вместе с тем производство цемента отрицательно влияет на окружающую среду, способствует выбросам парниковых газов в атмосферу. Данный факт признается многочисленными экспертами и экологическими организациями.

В тоже время имеет место огромное количество промышленных отходов с присущими цементными свойствами. В первую очередь это касается отходов энергетической отрасли, в особенности, низкокальциевых зол-уноса, отходов металлургии – металлургического шлака. Данные материалы являются исходными компонентами геополимерных бетонов.

Сегодня в России уже накоплены сотни миллионов тонн указанных материалов (золы-уноса, металлургического шлака и пр.) в качестве отходов, которые имеют тенденцию к увеличению.

Применение геополимеров позволит в ближайшем будущем частично, а в среднесрочном периоде – полностью отказаться от цемента, тем самым сокращая отходы промышленности и снижая вредное воздействие на окружающую среду.

Вместе с тем производство цемента отрицательно влияет на окружающую среду, способствует выбросам парниковых газов в атмосферу. Данный факт признается многочисленными экспертами и экологическими организациями.

Геополимерный бетон: состав, изготовление и особенности применения

В настоящее время все большей популярностью пользуются стройматериалы, изготовленные с применением экологически чистых природных компонентов. Одним из таких стройматериалов является геополимерный бетон. В этой статье мы расскажем о том, что собой представляют такие бетоны, каковы их основные характеристики и как они применяются по назначению.

Фактура готового «зеленого» бетонного блока

Решая проблему эффективной утилизации строительных отходов, человечество в последние десятилетия старается разрабатывать стройматериалы, в составе которых преобладают природные компоненты. Благодаря наличию натуральных компонентов, проблема утилизации строительных отходов становится не такой актуальной и злободневной, поскольку отслужившие свой век здания и сооружения не нуждаются в дорогостоящей многоэтапной переработке.

Как сделать геополимерный бетон своими руками?

• Состав
• Особенности и сфера использования
• Достоинства
• Рецептура
• Что необходимо для работы?
• Технологические рекомендации
• Подводим итоги

Благодаря внедрению современных строительных технологий появляются новые материалы, имеющие уникальные свойства и эксплуатационные характеристики. В процессе изысканий перед строителями ставится задача создания надежных материалов, характеризующихся экологической чистотой. Геополимерный бетон – именно такой строительный материал. Его основа – ингредиенты природного происхождения, об этом говорит приставка “гео”.

Секрет геополимерного материала имеет древнюю историю, берущую корни много столетий назад. В наше время специалисты усовершенствовали рецептуру и разработали технологию, позволившую создать безвредный для окружающих материал, который по ряду параметров может конкурировать с традиционным бетоном.

Инновационная бетонная смесь не является чем-то новым – она уже была известна человеку еще в древности: при строительстве пирамид в Египте использовался подобный стройматериал

Изготовление экологически чистого состава производится промышленным путем, но зная рецептуру и соблюдая технологию, геополимерный бетон своими руками изготовить достаточно просто. Рассмотрим детально, что такое полибетон, уточним состав, изучим свойства материала и рецептуру.

Благодаря внедрению современных строительных технологий появляются новые материалы, имеющие уникальные свойства и эксплуатационные характеристики. В процессе изысканий перед строителями ставится задача создания надежных материалов, характеризующихся экологической чистотой. Геополимерный бетон – именно такой строительный материал. Его основа – ингредиенты природного происхождения, об этом говорит приставка “гео”.

Технические характеристики и преимущества материала

Простота изготовления – не единственное достоинство геополимерного бетона. Благодаря своему составу, материал отличается следующими преимуществами:

• повышенными показателями адгезии (сцепления с поверхностью);
• устойчивостью к коррозии;
• высокой скоростью застывания (процесс занимает 1 неделю в сравнении с 1 месяцем для обычного бетона);
• выносливостью к перепадам температуры, воздействию химических реагентов и т. д.;
• пожаробезопасностью;
• экологической чистотой.

При этом, влагоустойчивость материала достаточно низкая. При застывании на поверхности геополимерного бетонного изделия образовывается своеобразная защитная пленка. При попадании воды, пленка вздувается, что нарушает целостность покрытия. Данную особенность важно учитывать при использовании продукции для возведения зданий.

Как следствие, подобный состав пользуется повышенной популярностью у застройщиков, существенно расширяя возможности при возведении различных построек. Впрочем, у материала есть один недостаток – сравнительно высокая стоимость.

• изготовления элементов ландшафтного дизайна;
• создания предметов искусства (архитектура, скульптура и т. д.);
• сооружения мостов и прочих габаритных строений.

Геополимерный бетон —
между прошлым
и будущим

В 1970-х годах французский химик Джозеф Давидовиц (Joseph Davidovits) придумал геополимерную технологию. Ее суть заключается в использовании неорганических минеральных веществ: атомы углерода в трехмерной полимерной цепочке заменены на атомы кремния и алюминия. По этому принципу получают множество композитных материалов, в т.ч. геополимерные цементы и бетоны на их основе (российские инженеры предложили использование термина геобетон).

Специалисты называют геополимерную технологию технологией “нулевого километра”, – ведь практически в любой точке мира в радиусе 100-200 км можно найти материалы для производства бетона. В основе геополимерного бетона могут быть неорганические отходы индустриальных предприятий (золы-уноса, шлаки и т.п.), минеральные природные ископаемые.

Геополимерные вяжущие нередко путают с бесцементными, полученными на базе доменного гранулированного шлака. Они были известны раньше и получили широкое применение в строительстве. Чтобы объективно оценить уникальные свойства бетонов на основе геополимерных цементов, нужно различать шлакощелочную и геополимерную технологии.

При щелочной активации шлака часто используются едкие щелочи, провоцирующие образование высолов на поверхности изделий, и требующие жесткого соблюдения правил техники безопасности. В геополимерной технологии применяют безопасные, неедкие соединения, гарантирующие отсутствие высолов; добавление шлака в состав геополимерного цемента не является обязательным.

В отличие от шлакощелочных, в геополимерных бетонах, катионы щелочных металлов полностью химически связаны, то есть заключены в структуру и не могут мигрировать на поверхность и вступать в реакцию. Таким образом, обеспечивается стабильная долговечная структура материала, устойчивая к коррозии и другим агрессивным внешним воздействиям. Благодаря этому свойству, геополимерный бетон может быть использован даже для инкапсуляции радиоактивных отходов, поскольку радиоактивные катионы будут надежно «спрятаны» в его структуре.

Прочность, сроки схватывания и другие свойства обычного бетона обусловлены «природными» характеристиками портландцемента, полученными им при производстве и зависящими от качества сырья, режимов помола и обжига клинкера. Чтобы увеличить или уменьшить сроки схватывания бетона, в него необходимо вводить дорогостоящие добавки, меняющие свойства портландцемента.

В геополимерном бетоне можно достичь тех же результатов без использования добавок, проектируя различные составы геополимерного цемента, меняющие его свойства. Этот материал менее чувствителен к качеству инертных. В геобетоне примерно 50% прочности (от 28-суточного возраста) набирается в течение первых трех суток.

Правильно подобранные заполнители придают высокую стойкость материала к огню – геобетон способен выдерживать до 1200°C. Текто-алюмино-силикатный тип трехмерной структуры геополимерной сетки обеспечивает нано-пористость структуры, позволяет химически и физически связанным молекулам воды испаряться при нагревании, не закипая и не разрывая бетон изнутри.

С другой стороны, геобетон обладает высокой морозостойкостью и может применяться при температурах до – 20°C без дополнительного прогрева. С уменьшением диаметра пор температура, при которой в них замерзает даже чистая дистиллированная вода, понижается и может достигнуть уровня -40°C…-50°C. Реагент, водный щелочной раствор, действует как электролит, что также понижает температуру замерзания жидкости в структуре бетона.

Нано-пористость геополимерной структуры обеспечивает непревзойденную водонепроницаемость: большие молекулы воды не могут проникнуть внутрь геополимерной матрицы даже под давлением. Соответственно, конструкции из геобетона не требуют дополнительной защиты от воды, что снижает затраты на их производство и строительство в целом.

За счет отсутствия кальциевых соединений материал обладает высокой сульфатостойкостью и устойчивостью к различным видам солей и кислот.

На фото можно видеть образцы из геобетона и бетона на базе портландцемента, прошедшие испытание в 10-процентном растворе серной кислоты. Кубики в возрасте 28 суток погрузили в раствор кислоты и оставили на 28 суток. Обычный бетон потерял в весе 40% от 28-суточного возраста и 70% – в показателях по прочности. У геобетона вес не изменился, а набор прочности продолжался.

Часто возникает вопрос об агрессивном воздействии щелочей, участвующих в реакции, на металлическую арматуру конструкций. В геополимерных бетонах (как и в случае портландцемента при его реакции с водой) обеспечивается высокая щелочность среды, то есть происходит обратный процесс – пассивация поверхности стальной арматуры и защита ее от коррозии.

Уникальные свойства геобетона обеспечивают ему широкий спектр применения, особенно в специальных областях, где требования к бетону очень высоки. В Брисбене исключительно из геополимерного бетона построен аэропорт, в Венеции его применяют для устройства полов и реставрации памятников архитектуры, в Иркутске компания, изготавливающая купольные дома, также будет применять геополимерный бетон.

На базе геобетона специалисты разработали состав для технологии строительной печати домов с использованием 3D принтеров. Точный подбор инертных наполнителей гарантированно снизит дозировки геополимерного цемента и реагента. При этом будут обеспечены те же показатели по прочности и подвижности смесей. Полученный состав для 3D печати на 30% дешевле состава с аналогичными характеристиками на базе портландцемента.

Сдерживающими факторами массового применения геополимерного бетона в России являются небольшие объемы производства (по сравнению с производством портландцемента), а также отсутствие стандартов.

Для производства бетона на базе геополимерного цемента требуется неукоснительно соблюдать последовательность подачи материалов и время их перемешивания, что требует внесения изменений в технологическое оборудование и изменение технологических регламентов. Впрочем, уже разработаны мобильные установки, позволяющие в автоматическом режиме, производить геобетон на строительной площадке или на территории завода.

Несмотря на существующие ограничения и особенности, геобетон применяется все больше: полученный результат превосходит инвестиции в модернизацию оборудования и переквалификацию персонала, не говоря уже про экологические аспекты применения материала и возможность утилизации техногенных отходов.

Андрей Дудников, инженер, управляющий компанией “РЕНКА РУС”,

Марина Дудникова, директор по развитию “Геобетон”

Алекс Реджани (Alex Reggiani), Ph.D, геолог-минералог, технический директор “РЕНКА РУС”

Этот материал опубликован в августовском номере Отраслевого журнала «Строительство». Весь журнал вы можете прочитать или скачать здесь.

С другой стороны, геобетон обладает высокой морозостойкостью и может применяться при температурах до – 20°C без дополнительного прогрева. С уменьшением диаметра пор температура, при которой в них замерзает даже чистая дистиллированная вода, понижается и может достигнуть уровня -40°C…-50°C. Реагент, водный щелочной раствор, действует как электролит, что также понижает температуру замерзания жидкости в структуре бетона.

Технология изготовления плит

При изготовлении раствора в домашних условиях его стоимость значительно повышается.

Технология приготовления

Когда в хозяйстве присутствует бетономешалка, тогда алгоритм выполняемых действий следующий:

• В емкость залить подогретую немного воду.
• В нее всыпать зольную пыль со шлаком, тщательно перемешивая компоненты. Если желаете получить максимально прочный бетон, лучше использовать «летучую золу». Когда необходим чистый по экологии материал, ее содержание немного уменьшают, заменяя недостающий объем цементом.
• Всыпать полимеры, перемешать.
• Полученный раствор залить в опалубку.

Чтобы ускорить время затвердевания, рекомендуют внутрь опалубки уложить электроды, а затем через них (уже после выполнения заливки) подключить на час ток. Электроэнергию необходимо получать не из сети, а подключить преобразователь.

Чтобы ускорить время затвердевания, рекомендуют внутрь опалубки уложить электроды, а затем через них (уже после выполнения заливки) подключить на час ток. Электроэнергию необходимо получать не из сети, а подключить преобразователь.

Новое — это хорошо забытое старое

Появление безопасных для окружающей среды строительных материалов обусловлено загрязнениями и нелицеприятными видами полуразвалившихся старых строений.

Правительство с неохотой идет на снос старых зданий и сооружений – весь процесс демонтажа отнимает очень много времени и средств.

Работа производится в несколько этапов, которые предусматривают снос, вывоз, переработку и утилизацию отходов. С устаревшими зданиями из геополимерного бетона таких проблем можно избежать.

Строительные материалы, созданные на природной основе, не требуют дорогостоящей утилизации, что позволяет сэкономить много времени и денег.

Строительные материалы, созданные на природной основе, не требуют дорогостоящей утилизации, что позволяет сэкономить много времени и денег.

Свойства и особенности

1. износостойкость как у гранита;

2. водонепроницаемость (поглощение влаги до 1,7 %), поры полимербетона такие мелкие, что молекулы воды просто не могут проникнуть внутрь даже под давлением;

3. морозостойкость от 50 циклов замораживания-размораживания, по этому показателю материал пригоден для применения в условиях глубоко долгого промерзания;

4. небольшой удельный вес, легкость изделий из этого материала, что облегчает транспортировку и монтаж;

5. набор прочности готового геополимерного бетона происходит за 10 дней (цементный застывает около месяца);

6. теплосохраняющие характеристики как у кирпича при толщине стен, меньшей в три — четыре раза;

7. отсутствие коррозии;

8. огнеупорность (более 1000 С);

9. высокая прочность на сжатие (более 100 МПа) и изгиб (более 13 МПа);

10. небольшая усадка;

11. эластичность смеси, возможно изготовление элементов криволинейных форм;

12. простота обработки, резки;

13. низкое содержание токсичных компонентов, выброс углекислого газа в атмосферу на 90% меньше, чем при производстве обычного бетона, что положительно сказывается на экологии, снижает темпы развития парникового эффекта на планете;

14. устойчивость по отношению к воздействию химически агрессивных веществ;

15. применение промышленных и хозяйственных отходов (зола, шлак);

16. невысокая цена;

17. простая технология производства, легко приготовить своими руками в домашних условиях.

• строительство общественных, производственных зданий, в том числе несущих стен;
• изготовления скульптур, барельефов, элементов декора (подсвечники, настольные офисные наборы, рамки для фотографий), бижутерии;
• производство столешниц, подоконников, настенных панелей для внутренней и внешней отделки;
• строительная 3D печать;
• устройство наливных полов;
• раковины для химических лабораторий;
• напольная и тротуарная плитка;
• гидроизоляция сооружений (с добавлением в состав цемента);
• элементы зданий атомных станций (с латексом);
• штукатурки, теплоизоляционные материалы.

Почти во всех случаях, когда обычно используют простой цементный бетон, его можно заменить на геополимерный.

13. низкое содержание токсичных компонентов, выброс углекислого газа в атмосферу на 90% меньше, чем при производстве обычного бетона, что положительно сказывается на экологии, снижает темпы развития парникового эффекта на планете;

Рецепт замеса геополимерного бетона в домашних условиях

В 78 году XIX века химик Joseph Davidovits ввёл понятие «геополимер». Вещество напоминает обычный цементный материал, но владеет более высокими эксплуатационными характеристиками. По своей структуре оно имеет большое сходство с природным камнем.

Этот материал для строительства применяется недавно, но такие исторические архитектурные строения, как Египетские пирамиды, выстроены из блоков, которые очень напоминают геополимерный бетон. Значит, рецепты геобетона знали ещё задолго до нашей эры.

Этот материал для строительства применяется недавно, но такие исторические архитектурные строения, как Египетские пирамиды, выстроены из блоков, которые очень напоминают геополимерный бетон. Значит, рецепты геобетона знали ещё задолго до нашей эры.

Разновидности бетона

Невозможно представить современное строительство без использования такого материала, как бетон. Он широко применяется при постройке зданий, фундаментов, сооружений различной сложности. Бетон – универсальный материал, поэтому он имеет различные составы и качество.

Геополимерный бетон имеет ряд преимуществ перед обычным бетоном, прежде всего это экологически чистый строительный материал.

В связи с постоянным прогрессом и развитием нанотехнологий, учеными был разработан инновационный вид бетона – геополимерный бетон. Стоимость такого материала в разы, а то и в десятки раз ниже традиционного. Благодаря своему составу он отличается своей экологичностью (в производстве используются только натуральные компоненты).

Различают следующие виды бетона:

• в зависимости от сферы использования (дорожные, звукопоглощающие, жаростойкие, декоративные, для промышленных и жилых зданий);
• в зависимости от плотности состава (особо легкий – до 500 кг/м 3 , легкий – 500-1800 кг/м 3 , тяжелый – 1800-2500 кг/м 3 и особо тяжелый – свыше 2500 кг/м 3 );
• в зависимости от степени связуемости (гипсовый, силикатный, цементный, шлакощелочной);
• в зависимости от степени жесткости, согласно ГОСТ: сверхжесткие, жесткие и подвижные.

Египетский геополимер имел следующий состав: ил из Нила, гравий известняка, поваренная соль, зола и дробленая известь.

Что такое полимерный бетон?

Характерным отличием такой бетонной смеси является добавление при изготовлении высокомолекулярных органических соединений. Фактически, полимерный бетон – это смесь, где роль вяжущего вещества могут выполнять различные полиэфирные и другие смолы: полиуретановая, поливиниловая, эпоксидная, метилметакрилатная и прочие, в сочетании с отвердителями, катализаторами, растворителями и так далее.

Геополимерный бетон, состав которого отличается от смесей на основе портландцемента, используется для внешней и внутренней отделки помещений и строений, ландшафтных и ремонтных работ, при создании малых архитектурных форм. Его можно использовать как на горизонтальных, так и на вертикальных поверхностях, в зависимости от примененной технологии и его консистенции.

Наиболее часто в качестве добавок используются ПВА, водорастворимые смолы и различные латексы. ПВА применяется в особой консистенции, где поливиниловый спирт выступает в роли эмульгатора.

Свойства геополимерного бетона

Преимущества перед обычным бетоном:

• быстро схватывается, засыхает и набирает прочность: 10 дней схватывается геополимер, а 30 – традиционный бетон;
• экологически чист. Материал изготавливается из природных материалов, а это значит, что он безопасен для человека и окружающей среды;
• долговечен и защищен от внешних воздействий, выдерживает температуру до 1300 градусов;
• морозостойкий, не боится резких перепадов температур;
• обладает низкой теплопроводностью. Это значит, что тепло внутри помещения не выйдет через стены из геополимеров;
• прочный материал, не уступающий граниту, позволяет строить многоэтажные здания;
• удобный в строительстве: материал имеет малую усадку и быстро затвердевает.

Различные виды геополимерного бетона проходили лабораторные исследования, в связи с чем выявлена определенные требования к материалу и классификация:

• Для геополимерного бетона используется буквенное обозначение ГПБ.
• Наполнитель у бетона может быть разный: тяжелый (обозначается буквой Т) и мелкозернистый (обозначается буквой М).
• Класс прочности при сжатии в 28-суточном возрасте – от B15, до B

Геополимерный мелкозернистый бетон класса B25 обозначается, как ГПБ М – B25 – ТУ 5870-006-30993911-2014.

Рецепт постоянно модернизируется и улучшается, в зависимости от задач. Чаще всего используются стандартные пропорции для приготовления 10 литров раствора:

Рецептура

Рецептура полибетона постоянно улучшается специалистами в области строительства. Отсутствует стандартная пропорция, зависящая от особенности применяемых компонентов и назначения материала. Однако имеются проверенные рецепты, позволяющие подготовить геополимерный бетон своими руками.

Применяемые в бытовых условиях ингредиенты не отличаются от промышленных. Они берутся в ограниченных объемах, необходимых для выполнения определённой задачи. Рассмотрим базовую рецептуру, позволяющую приготовить 20 килограмм полибетона.

Для приготовления смеси потребуется (в килограммах):

• зола — 6,6;
• жидкое стекло — 4,0;
• гидроксид калия — 1,8;
• шлак — 6,6;
• вода — 11.

Указанный рецепт проверен домашними умельцами и положительно зарекомендовал себя для бытовых целей.