Тема 11. Автоклавные материалы и изделия

Изделия на основе извести (силикатные изделия).

Силикатными называют искусственные каменные мате­риалы и изде-лия, получаемые в результате формования и по­следующей тепловлажностной обработки смесей, состоящих из известково-кремнеземистых вязнущих, запол-нителей (квар­цевого песка, шлака др.) и воды. Такие композиции образуют камень и при твердении на воздухе, но получаемый материал имеет невысо-кую прочность (1-2 МПа). В этом случае взаи­модействие Са(ОН)₂ извести и SiO₂ песка протекает очень мед­ленно и практически не сказывается на прочности камня. Од­нако, как было установлено в 1880 г. немецким ученым В. Михаэли-сом, твердение уплотненной смеси извести с кварцевым песком резко ускоряется, если эту смесь подвергнуть тепловлажностной обработке в автоклаве, где температу-ра насыщен­ного пара достигает 170 ^СС и более, а давление — 0,8 МПа и выше. В этих условиях происходит взаимодействие песка с известью с образованием гидро-силикатов кальция, цементи­рующих зерна песка в прочный монолит.

Для изготовления силикатных изделий применяют квар­цевый песок и возду-шную известь. Если часть кварцевого пес­ка тонко размолоть, то прочность изделий после автоклавно­го твердения значительно возрастает. Регулируя количество и сте-пень измельчения тонкомолотого песка и выбирая в соот­ветствии с этим оптима-льные соотношения СаО : SiO₂, мож­но повысить прочность и некоторые физико-механические свой­ства силикатного бетона. В качестве кремнеземистого компоне-нта кроме песка ис­пользуют и другие местные материалы — шлаки, золы от пы­левидного сжигания топлива, нефелиновый шлам и др.

В настоящее время силикатные автоклавные изделия и кон­струкции широко используются в сборном строительстве. По своим строительно-эксплуатационным качествам они близки к аналогичным изделиям из цементных бетонов, но для их изготовления требуется меньше вяжущего, шире используют­ся местные материа-лы. Они, как правило, на 15-25% дешевле цементобетонных.

Технологическая схема получения силикатобетонных из­делий аналогична производству бетонных и железобетонных изделий и состоит из следующих опе-раций: приго­товления известково-кремнеземистой смеси и ее гомогениза­ции, фор-мования изделий, твердения их в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при давлении 0,9-1,6 МПа и тем­пературе 175-200°С.

При автоклавной обработке происходит реакция между гидроксидом кальция и кремнеземистым компонентом:

пСа(ОН)₂ + SiO₂ + mН₂О = пСаО ∙ SiO₂ ∙ (т - 1)Н₂О.

В результате их взаимодействия синтезируется цемен­тирующее вещество в виде гидросиликатов кальция, связы­вающее зерна песка или другого заполнителя в прочный и водостойкий каменный материал. Условия прохождения этого про-цесса обеспечиваются в среде насыщенного пара в автоклаве при температуре 175 °С и выше и давлении пара 0,9 МПа и более.

Для снижения внутренних напряжений автоклавную обра­ботку проводят по определенному режиму; постепенный подъем давления пара в течение 1,5 -2 ч, изо-термическая выдержка из­делий в автоклаве при температуре 175 - 200°С и дав-лении 0,8 - 1,3 МПа в течение 4 -8 ч и снижение давления пара в течение 2 -4 ч. Автоклавная обработка обычно продолжается 8 - 14 ч.

Силикатные бетоны.

Силикатные бетоны, как и цементные, могут быть тяже­лыми (заполнитель-песок и щебень или песок и песчано-гравийная смесь), легкими (заполнители по-ристые — керамзит, вспученный перлит, аглопорит и др.) и ячеистыми.

В силикатном бетоне применяют известково-кремнеземистое вяжущее, в со-став которого входят воздушная известь и тонко измельченный кварцевый песок (взамен песка можно применять золу, молотый доменный шлак и др.).

Прочность известково-кремнеземистого вяжущего зависит от активности из-вести, соотношения CaO/SiO₂, тонкости из­мельчения песка и параметров автокла-вной обработки (темпе­ратуры и давления насыщенного пара, длительности автокла-вного твердения). Оптимальным будет такое соотношение CaO/SiO₂ и тонкость помола песка, при котором вся СаО бу­дет связана в низкоосновные гидросилика-ты кальция.

Изготовление бетонных и железобетонных изделий вклю­чает приготовление известково-кремнеземистого вяжущего, подготовку и гомогенизацию силикатобе-тонной смеси, фор­мование изделий, автоклавную обработку.

Тяжелый силикатный бетон плотностью 1800-2500 кг/м³ с прочностью 15-80 МПа применяют для изготовления сбор­ных бетонных и железобетонных кон-струкций, в том числе предварительно напряженных.

Силикатный кирпич.

Силикатный кирпич изготовляется из жесткой смеси: кварцевого песка (92-94%), извести (6-8%, считая на актив­ный СаО) и воды (7-9%) путем прессова-ния под давлением (15-20 МПа) и последующего твердения в автоклаве.

Комовую известь-кипелку, поступающую из известеобжигательной печи, со-ртируют, чтобы удалить недожог и пере­жог, затем дробят и размалывают в тонкий порошок. При этом воздушным сепаратором отделяются наиболее тонкие части­цы. Повышение тонкости помола извести, кроме того, сокра­щает и ее расход.

Гасить известь в смеси с песком можно в силосах в тече­ние 8-9 ч или в га-сильных барабанах, которые представляют собой металлический цилиндр, по ко-нцам имеющий форму усеченных конусов, вращающихся вокруг горизонтальной оси. Песок дозируют по объему, а известь — по весу. После за­грузки барабан вращают, впускают пар и гасят известь под давлением 0,3-0,5 МПа. Перед прессо-ванием известково-песчаную смесь перемешивают в лопастной мешалке или на бе­гунах и дополнительно увлажняют (до 7%).

Цвет силикатного кирпича светло-серый, но он может быть любого цвета всле-дствие введения в состав смеси щелочестойких пигментов. Выпускают кирпич двух видов: одинарный 250 х 120 х 65 мм и модульный 250 х 120 х 88 мм с пус-то­тами, которые позволяют получить массу одного кирпича не более 4,3 кг.

В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кир-пич имеет марки: 100, 125, 150, 200 и 250.

Плотность силикатного кирпича (без пустот) — около 1800-1900 кг/м³, т.е. он тяжелее обыкновенного глиняного кирпи­ча, теплопроводность 0,70-0,75 Вт/(м ∙°С), водопоглощение ли­цевого кирпича не превышает 14%, а рядового — 16%. Марки по морозостойкости для лицевого кирпича: М_рз 15, 35, 50; для ря-дового — М_рз15.

Силикатный кирпич, как и глиняный, применяют для возведения несущих стен зданий. Не рекомендуется его ис­пользовать для устройства цоколей из-за не-достаточной во­достойкости, а также для кладки труб и печей, так как при высокой температуре дегидратируется Са(ОН)₂, разлагают­ся СаСО₃ и гидросиликаты каль-ция, а зерна кварцевого пес­ка при 573°С, расширяясь, вызывают его растрески-вание в результате полиморфного превращения кварца в другую разновидность, что сопровождается скачкообразным увели­чением объема его зерен.

На производство силикатного кирпича расходуется мень­ше тепла, поскольку не требуются сушка и высокотемпера­турный обжиг, поэтому он дешевле глиня-ного на 30-40%.

Прочность силикатного кирпича продолжает повышаться и после запарива-ния его в автоклаве при выдерживании его на воздухе, где происходит его высыха-ние, а также благодаря карбонизации извести, не вступившей в химическое взаимо­действие с кремнеземом, по следующей схеме:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич.

Известково-шлаковый кирпич изготовляют из смеси из­вести и гранулирован-ного доменного шлака. Извести берут 3-12% по объему, шлака — 88-97%. При замене шлака золой получается известково-зольный кирпич. Состав смеси: 20-25% извести и 80—75% золы. Так же как и шлак, зола является дешевым сырьем, обра-зующим­ся в больших количествах после сжигания топлива (каменно­го или бурого угля и др.) в котельных ТЭЦ, ГРЭС и др.

При сгорании пылевидного топлива часть очаговых остат­ков оседает в топке (зола-шлак), а самые мелкие частицы золы уносятся в дымоходы, где задерживаю-тся золоуловителями, а затем их транспортируют в золоотвалы. Наиболее тонкодис­персные золы называют зола уноса. При смешивании с водой золы не твердеют, однако при добавках извести или портландцемента они активизируются, а запари-вание смеси в автоклавах дает возможность получать из них изделия достаточной прочности.

При сжигании некоторых горючих сланцев (например, средневолжских) обра-зуются золы, содержащие окиси кальция 15% и более, которые имеют способ-ность твердеть без добавок из­вести. Кирпич из этих зол называют сланцезольным.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи фор­муют на тех же прессах, которые применяют при производ­стве силикатного кирпича и запаривают в автоклавах.

Плотность шлакового и зольного кирпичей 1400-1600 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,5—0,6 Вт/(м-°С). По преде­лу прочности при сжатии шлако-вый и зольный кирпичи разде­ляют на три марки: 75, 50 и 25. Их морозостойкость такая же, как и силикатного, а известково-зольного — ниже.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи при­меняют для возве-дения стен зданий высотой не более трех этажей и для кладки верхних этажей многоэтажных зданий.

Изделия из пеносиликата и других ячеистых материалов.

Пеносиликат — это искусственный каменный материал яче­истой структу-ры, который получается в результате затверде­вания пластичной известково-песчаной смеси, смешанной с тех­нической пеной, а смешиванием такого же раствора с газооб-разователем (алюминиевой пудрой, пергидролем и др.), на­зывают газосиликатом.

Для производства пеносиликата рекомендуется применять молотую известь-кипелку, содержащую активный СаО не ме­нее 70%. Чем выше активность извес-ти и тоньше помол, тем меньше ее требуется для приготовления пеносиликата. Обыч­но извести берут 15-20% от веса сухой смеси. Кроме кварце­вого песка в качестве заполнителей можно использовать до­менный гранулированный шлак, зо-лу уноса, маршалит, тре­пел, диатомит и другие заполнители, содержащие большое количество кремнезема.

При производстве пеносиликата известь и заполнитель под­вергают совместно-му или раздельному помолу. При раздель­ном помоле компонентов известь и запо-лнитель измельчают в трубных, шаровых мельницах, а при совместном — в дез-ин­теграторах. Тонкость помола смеси 2900-3200 см²/г.

Технологический процесс производства ячеистых силикат­ных изделий состо-ит из следующих операций: при­готовления известково-песчаного вяжущего сов-местным по­молом извести и части песка (количество песка от веса извес­ти состав-ляет 20-50%); измельчения песка по сухому или мок­рому способу; приготовле-ния пено- или газобетонной массы; формования изделия. Приготовленную массу заливают в ме­таллические формы. В формах газосиликатная масса вспучи­вается, образуя горбушку, которая затем срезается. Примене­ние вибровспучивания массы: кратковременная обработка на виброплощадке позволяет получать изделия с мень-шей плот­ностью при экономии алюминиевой пудры.

Ячеистые силикатные изделия изготовляют как армиро­ванными, так и неар-мированными. В армированных силикат­ных бетонах стальная арматура, а также закладные детали больше подвержены коррозии, чем в цементных бетонах. Поэто-му стальную арматуру покрывают защитными составами (цементно-казеиновы-ми, полимерцементными),

Силикатные изделия из ячеистого бетона подразделя­ются на:

• теплоизоляционные средней плотностью до 500 кг/м³ и прочностью на сжатие до 2, 5 МПа;

• конструктивно-теплоизоляционные средней плотностью 500-800 кг/м³ и прочностью на сжатие 2,5-7,5 МПа;

• конструктивные — средней плотностью 850 кг/м³ и проч­ностью на сжа-тие 7,5-15,0 МПа.

Коэффициент теплопроводности = 0,1- 0,2 Вт/(м ∙°С).

Применяются ячеистые силикатные изделия для наруж­ных стен зданий, пе-регородок, а также для покрытий промыш­ленных зданий.