Введение. Производство легкобетонных изделий занимает значительную часть рынка строительных материалов в России. Использование легких бетонов способствует снижению массы зданий, улучшает теплоизоляционные и звукоизоляционные показатели, уменьшает затраты на транспортировку и монтаж, а также снижает общую стоимость строительства [1].В Республике Саха (Якутия) действует стратегия социально-экономического развития до 2032 года с определением целевого видения до 2050 года, утвержденная Правительством Республики с 2019 года, согласно которой имеется план развития мероприятий по созданию производств высококачественных ресурсо- и энергосберегающих строительных материалов, изделий и конструкций. Для Западной Якутии, в частности Сунтарского улуса, ставится задача по разработке карьеров по добыче цеолита, выпуску пористых заполнителей для строительных нужд сроком до 2032 года. Исходя из этого проявляется интерес в использовании пористых заполнителей для получения новых энергоэффективных строительных материалов на основе местной минеральной сырьевой базы.Проблема экономии энергоресурсов в условиях устоявшейся тенденции роста тарифов на энергоносители, а также ужесточений нормативных требований к тепловой оболочке зданий [2], предопределяет к строительным материалам высокие показатели энергоэффективности с оптимальной себестоимостью [3], а также обусловливает расширение номенклатуры технологически и экономически эффективных разновидностей вяжущих, обеспечивающих получение высококачественной продукций [4]. В Якутии активно развивается производство пористого заполнителя на основе цеолита Хонгуринского месторождения (пеноцеолит). Пеноцеолит, как пористый заполнитель, имеет ряд ключевых преимуществ, такие как низкий коэффициент теплопроводности [5] высокая морозостойкость [6], что делает его идеальным для использования в суровых климатических условиях. Однако его применение в качестве заполнителя для получения легких бетонов с высокими теплотехническими и прочностными показателями остается малоизученным. Учитывая значительный объем золошлаковых отходов, образующийся в результате работы твердотопливных котельных Якутии, представляется целесообразным исследовать возможность их применения в качестве сырья для производства легкого бетона, что позволит решить проблему утилизации отходов и повысить теплотехнические характеристики материала. Согласно данным Территориального органа ФСГС по Республике Саха (Якутия) действует 567 твердотопливных котельных, работающих на каменных и бурых углях. За длительный отопительный сезон вырабатывается колоссальное количество золошлаковых отходов, которые можно использовать для изготовления строительных материалов. Перспективой решения данной проблемы являются легкие бетоны на пористом заполнителе и композиционном вяжущем с использованием местного природного цеолита c добавлением золошлаковых отходов, которые могут оказать положительное влияние на теплотехнические [7–11], технологические [12–16], экологические [17] и прочностные свойства материала [18]. Целью работы является разработка оптимального способа получения конструкционно-теплоизоляционного морозостойкого легкого бетона с высокими физико-механические показателями с использованием пористого заполнителя местного производства, композиционного вяжущего на основе цеолита месторождения Хонгуруу и золошлаковыми отходами. Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:Оптимизация пористости легкого бетона на основе анализа влияния объемной концентрации заполнителя и массовой доли золошлака на прочность легкого бетона путем проведения матричного двухфакторного планирования эксперимента; Определение состава и технологии получения легкого бетона на пористом заполнителе на основе композиционного вяжущего для получения требуемых эксплуатационных свойств.Определение модели оптимального структуроформирования лёгкого бетона на пористом заполнителе;Методология. В работе для получения пеноцеолитбетона (ПЦБ) на пористом заполнителе на основе композиционного вяжущего использовался портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н производства ОАО «Якутцемент» (табл. 1). В качестве мелкого плотного заполнителя использовался песок речной из поймы р. Лена, соответствующий по всем характеристикам группе «очень мелкий» согласно ГОСТ 8736. В качестве крупного заполнителя использовался пористый заполнитель на основе природного цеолита, изготовленный ООО «Сунтарцеолит». Характеристики крупного заполнителя приведены в таблице 2. Также применены модифицирующие добавки: – природный цеолит, производимый предприятием по добыче и обогащению природного цеолита – ООО “Сунтарцеолит” (табл. 2), в измельченном виде до удельной поверхности500 м2/г обладающий активностью по отношению к CaO (76,6 мг/г).– отсев золошлаковых отходов производственного цеха ООО «Якутский котловой завод» с фракцией не более 1,0 мм, основными компонентами которого являются оксиды кальция, кремния и алюминия (табл. 3). – для доведения бетона до требуемой плотности применялся пена с плотностью 70 г/л, получаемой на протеиновом пенообразователе FoamCem с концентрацией 2%. Рис. 1. Лабораторный пеногенератор с пенопатроном и компрессором Замешивание смесей осуществлялось на лабораторном смесителе ЛБ-АБ-10 и гравитационном бетоносмесителе СБР132А.Основные физико-механические характеристики ПЦБ определялись методами испытаний, описанных и регламентируемых межгосударственным стандартом на легкие бетоныГОСТ 25820-2021. Для подбора состава бетона в соответствии с ГОСТ 27006-86 (использование данной версии стандарта обусловлено областью применения к конструкционным легким бетонам) на первоначальном этапе проведена оптимизация пористости ПЦБ на основе анализа прочности на сжатие. Для этого было проведено матричное двухфакторное планирование эксперимента, в качестве варьируемых параметров в соответствии с необходимой плотностью и прочностью ПЦБ выбраны объемная концентрация пористого заполнителя для оптимизации макропористости и массовое содержание золошлака для оптимизации микропористости [19]. Результаты описывали через уравнение регрессии (1) с коэффициентом корреляции не менее 0,8.              (1) Рис. 2. Смесители принудительного действия:а – ЛБ-АБ-10; б – СБР132АТаблица 1Свойства портландцемента марки ЦЕМ I 42,5Н (ОАО «Якутцемент»)ПоказательЗначениеНормальная густота, %25Остаток на сите 008, %7,0Равномерность изменения объема, мм0,11Сроки схватывания:– начало, час-мин– окончание, час-мин 2–353–55Средняя активность цемента в возрасте 28 суток, МПа40,95 Таблица 2 Характеристика пористого заполнителя(ООО «Сунтарцеолит»)ПоказательЗначениеРазмер зерен, мм5–20Насыпная плотность, кг/м3245Средняя плотность502Истинная плотность, кг/м32020Пористость, %87,8Водопоглощение, % мас.22,8Прочность на сдавливание, МПа0,83  Таблица 3Химический состав золошлаковых отходов (ООО «Якутский котловой завод)Содержание оксидов, %SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOMgOCaONa2OK2OH2O-H2O+P2O5CO235,040,6914,963,631,710,023,6120,832,570,130,7100,036,22 Процесс изготовления ПЦБ включает предварительную сушку пористых заполнителей, последовательное дозирование и перемешивание компонентов до однородной массы. Перед введением пористого заполнителя и пены определялась подвижность смеси с помощью вискозиметра Суттарда, целевым значением расплыва являлось 18 см. Для достижения марочной прочности в течение 28 суток образцы после распалубливания помещают в камеру с нормальными условиями твердения: с температурой (20±2) °С и относительной влажностью воздуха (95±5) %.Испытание образцов ПЦБ было выполнено в соответствии со стандартными методиками, с использованием аттестованных приборов и лабораторных установок Инженерно-технического института СВФУ имени М.К. Аммосова. Статистическая обработка экспериментальных данных была осуществлена при помощи специализированной программы для анализа и визуализации данных.Основная часть. Исходя из характеристик пористого заполнителя (табл. 2) для получения ПЦБ класса B5 необходимо закладывать плотность не менее D900 [20]. Состав легкого бетона на пористом заполнителе на основе композиционного вяжущего выбран для плотности D900. В работе портландцемент заменен композиционным вяжущим ТМЦ-85. В ранних работах показана эффективность природного цеолита как компонента композиционного вяжущего [21, 22]. Для подбора состава бетона в соответствии с ГОСТ 27006-86 на первоначальном этапе проведена оптимизация пористости легкого бетона на основе анализа прочности на сжатие. Для этого было проведено матричное двухфакторное планирование эксперимента, в качестве варьируемых параметров, в соответствии с необходимой плотностью и прочностью легкого бетона, выбраны объемная концентрация пористого заполнителя для оптимизации макропористости и массовое содержание золошлака для оптимизации микропористости (таблица 4). Выбранное соотношение плотности и прочности представляет собой целевой компромисс, основывающийся на необходимости обеспечения долговечности материала при сохранении его теплотехнических показателей, учитывая особенности климата Якутии. Таблица 4 Условие планирования экспериментаФакторыУровни варьированияИнтервал варьированияНатуральный видКодированный вид-10+1Объемная концентрация пористого заполнителя (ЦЗ)x0,530,560,590,03Массовое содержаниезолошлака (ЗШ)от вяжущего, %y714217 Таблица 5Матрица планирования№ точки планаФакторыxy1+1+12+103+1-140+150060-17-1+18-109-1-1Таблица 6Составы ПЦБ D900 на 1 м3№ п/пПористыйзаполнитель, кгТМЦ-85, кгПена, лЗолошлак, кгПластификатор, %126655060832,72715538228425210483511555612628723814883815955917028  В лабораторных условиях было приготовлено 9 составов, при каждом значении варьируемых факторов испытывалось по три образца для исключения получения случайных результатов. В соответствии с планом эксперимента, увеличение номера состава сопровождалось уменьшением количества либо пористого заполнителя, либо золошлака, что приводило бы к постоянному повышению плотности. Однако, для сопоставления влияния различных компонентов на прочность бетона требовалось достижение одинаковой плотности всех образцов. Поэтому для корректировки плотности бетона до необходимого значения и формирования пористой структуры также предусматривалось добавление пеноагента в состав легкого бетона. Так, в составах от №1 до №9, где снижалось содержание пористого заполнителя, увеличивали количество добавляемой пены.Важной частью технологии получения легкого бетона на пористом заполнителе является способ замешивания компонентов и вид бетоносмесителя. Неудовлетворительными оказались смеси, получаемые с помощью лабораторного смесителя ЛС-АБ-10 с плавающими лопастями. Визуально отмечено, что при перемешивании смеси пенообразователь не образовывает изолированные пузырьки, наблюдается эффект «гашения» пены, что приводит к вынужденному повышению В/Ц.Далее приготовление и перемешивание смеси производилось в бетоносмесителе гравитационного типа и согласно способам, предложенным в источниках под авторством Давидюка А.Н., Сопегина Г.В. и Семейных Н.С. [23, 24]. Подготовка пены производилась с использованием переносного лабораторного пеногенератора, с камерой смешения объемом 40 литров, с пенопатроном и компрессором для подачи сжатого воздуха в дозировке 2% от массы воды. Способ №1 получения ПЦБ подразумевает перемешивание компонентов в следующей последовательности: пеноцеолит вымачивается в 2/3 объема воды затворения в течение 5 минут, далее перемешивается с приготовленной смесью из сухих компонентов (рис. 3). В образовавшуюся смесь вводилась оставшася часть 1/3 воды, далее пена. При формовании образцов произошло оседание раствора в нижнюю часть формы (рис. 4). Согласно более классическому способу № 2 необходимо изначальное получение растворной смеси с последующей добавкой пористого заполнителя и пены. При этом, согласно наблюдениям, введение пены должно происходить после введения пористого заполнителя, так как если вводить пористый компонент в пенобетонную смесь, также будет происходить «гашения» пены. Далее в работе приготовление образцов ПЦБ производилось по способу №2. Рис. 3. Способы получения пеноцеолитбетона  Рис. 4. Лабораторные образцы ПЦБ-бетона размером 100х100х100 мм:а – способ №1; б – способ №2  На основе данных составов были замешаны серии из трех образцов легкого бетона, физико–механические свойства составов, выдержанных в естественных условиях твердения, приведены в таблице 7.На основе экспериментальных данных получены уравнения регрессии зависимостей:В/Ц отношения от объемной концентрации пористого заполнителя и массового содержания золошлака (коэффициент корреляции R2=0,9):                                (2) Прочности от объемной концентрации пористого заполнителя и массового содержания золошлака (коэффициент корреляции R2=0,8):                                    (3) Прочности от объемной концентрации пористого заполнителя и В/Ц (коэффициент корреляции R2=0,82):                                                   (4) Таблица 7Физико-механические свойства составов ПЦБ D900  № п/пОбъемная концентрация пористого заполнителяМассовоесодержание золошлакаот вяжущего, %Ц/ВВ/ЦКоэффициентконструктивного качестваПрочность на сжатие, МПа10,60211,170,855,464,9220,59141,540,656,946,2530,6171,730,587,506,7540,56211,250,805,935,3450,56141,380,726,575,9160,5771,530,656,625,9570,53211,400,715,615,0580,52141,480,685,945,3590,5271,730,586,135,52 По полученным уравнениям регрессии построены номограммы зависимостей В/Ц и прочности при сжатии в соотношении с массовым содержанием золошлака от композиционного вяжущего и объемной концентрации пористого заполнителя (рис. 5, рис. 6).  Рис. 5. Зависимость В/Ц от объемной концентрации пористого заполнителя и массового содержаниязолошлака от вяжущего Рис. 6. Зависимости предела прочности при сжатии легкого бетона от объемной концентрациипористого заполнителя, а также:а – от массового содержания золошлака от вяжущего; б – от В/Ц В ходе проведения эксперимента установлено (рис. 6), что увеличение массового содержания золошлаковых отходов в составе композиционного вяжущего приводит к повышению В/Ц. Это может быть объяснено тем, что золошлаковые отходы имеют частицы несгоревшего топлива, которые способны в значительной степени поглощать воду [25]. В следствии этого также прочность ПЦБ возрастает при уменьшении массового содержания золошлака. Достижение оптимальных прочностных характеристик достигается при увеличении концентрации пористого заполнителя и понижение В/Ц, что может объяснятся тем, что пористые агрегаты заполнителя прочнее пористой матрицы бетона. При этом пик прочности достигается при увеличении концентрации заполнителя и увеличении плотности матрицы. Таким образом, можно предложить модель оптимального структуроформирования лёгкого бетона на пористом заполнителе (рис. 7). Низкая концентрация пористого заполнителя в лёгком бетоне приводит к тому, что для достижения целевой плотности снижается плотность и повышается пористость матрицы, в следствии чего снижается прочность. При высокой плотности и низкой пористости матрицы создается не плотная структура с крупными структурными порами, что также снижает прочность легкого бетона. Таким образом, для достижения максимальной прочности легкого бетона необходимо закладывать высокую концентрацию пористого заполнителя для обеспечения оптимальной пористости и прочности матрицы легкого бетона.   Рис. 7. Модель структуроформирования легкого бетона на пористом заполнителе:а – высокопористая матрица с низкой концентрацией заполнителя; б – низкопористая матрица с высокой концентрацией заполнителя;в – оптимальная пористость матрицы с высокой концентрацией заполнителя  Далее проведен подбор состава бетона по ГОСТ 27006-86 где за варьируемый параметр взято Ц/В отношение. Данные по зависимости Ц/В от прочности взяты из предыдущих испытаний (рис. 8). Предварительные составы, для достижения класса прочности B5, плотности D900 и подвижности П3 приведены в таблице 8. При этом для достижения необходимой плотности (веса и объёма) дополнительно дозировались молотый цеолит и пена.  Рис. 8. Зависимость предела прочности при сжатии от цементно-водного отношения Таблица 8 Составы конструкционно-теплоизоляционного ПЦБ с ТМЦ-85 Номер составаМаркировкаЦ/ВВода, кгТМЦ-85, кгПористый заполнитель, кгЦеолит, кгЗолошлаковые отходы, кгПена, лПлотность смеси, кг/м31B7,5 F100 П3 D9002,120042026573307098322,448027345099731,836012026110970 Результаты по зависимости прочности легкого бетона от Ц/В также подтверждают предложенную модель оптимального структурообразования легкого бетона на пористом заполнителе (табл. 9, рис. 9) Существует оптимальное Ц/В, при котором достигается оптимальная плотность и пористость матрицы легкого бетона, при увеличении Ц/В повышается плотность цементного теста, что приводит по всей видимости к неэффективному распределению пористости. Таблица 9Физико-механические свойства составов конструкционно-теплоизоляционных ПЦБНомер составаМаркировкаСредняя плотность бетона (кг/м³)Средняя прочность на сжатие на 28 сутки твердения (МПа)1B7,5 F100 П3 D9009036,5428965,638836,32  Рис. 9. Зависимость предела прочности при сжатии от цементно-водного отношения опытных образцов ПЦБ с ТМЦ-85  В заключении определен оптимальный состав согласно зависимости и получены технические характеристики в соответствии с ГОСТ 25820-2021 «Бетоны легкие. Технические условия» (табл. 10). Для наглядности состав с ТМЦ-85 был сравнен с составом на портландцементе. Выводы. Таким образом, установлен оптимальный способ получения конструкционно-теплоизоляционного морозостойкого легкого бетона с высокими физико-механические показателями с использованием пористого заполнителя местного производства и композиционного вяжущего на основе цеолита месторождения Хонгуруу.На основе экспериментальных данных получены уравнения регрессии и построены номограммы зависимости прочности на сжатие. Установлена и предложена модель оптимального структуроформирования лёгкого бетона на пористом заполнителе, согласно которой для достижения максимальной прочности легкого бетона необходимо закладывать высокую концентрацию пористого заполнителя для обеспечения оптимальной пористости и прочности матрицы легкого бетона. При этом оптимальная пористость и прочность матрицы легкого бетона достигается при оптимальном Ц/В.  Таблица 10 Оптимальный состав конструкционно-теплоизоляционного ПЦБ МаркировкаВ5 D900 П3 F100Состав, на 1 м3Ц/В2Вода, кг200Цемент, кгТМЦ-85, кгЦеолит, кгЗола, кг400–8832–4008832Пористый заполнитель, кг265Пена, л83СвойстваПлотность, кг/м3892861Марка по плотностиD900Предел прочности при сжатии, МПа5,96,49Класс прочностиB5Марка по морозостойкостиF75F100Теплопроводность, Вт/(м ℃)0,320,27  Определена технология получения легкого бетона на пористом заполнителе, согласно которой замешивания компонентов легкобетонной смеси должно начинаться с получения сначала растворной части, затем последовательного введения пористого заполнителя и пены. При этом перемешивание обеспечивается бетоносмесителем гравитационного типа. Предложен состав конструкционно-теплоизоляционного бетона с маркой по средней плотности D900 с обеспечением эксплуатационных свойств: класс бетона B5, морозостойкость F100, теплопроводность в сухом состоянии λ = 0,27 (Вт/м·℃), что удовлетворяет требованиям к конструкционно-теплоизоляционным легким бетонам. Применение данного материала в строительстве Якутии остается оправданным благодаря прочностно-плотностному балансу. Развитие производства легкого бетона на пористом заполнителе на основе природного цеолита Якутии позволит сократить транспортно-логистические издрежки при строительстве, укрепить региональную экономику, повысить долговечность зданий и снизить энергозатраты на эксплуатацию, а также открыть новые возможности для повышения их эффективности и расширения областей применения.