6. Силикатные изделия автоклавного твердения

Приступая к изучению силикатных изделий автоклавного твердения, студент должен вспомнить (раздел «Минеральные вяжущие вещества»), какими свойствами обладает строительная известь – воздушное вяжущее вещество. Вяжущие автоклавного твердения – разновидность гидравлических вяжущих, они затвердевают в среде насыщенного водяного пара, т.е. в условиях автоклавной обработки. В группу этих вяжущих входят нефелиновый цемент, известково-кремнезёмистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие и др.

Производство силикатных строительных материалов базируется на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который осу­ществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водяного пара давлением 0,8…1,3 МПа и температурой 175…200 ºС. Силикатные автоклавные материалы – это бесцементные мате­риалы и изделия (силикатные бетоны, силикатный кирпич, камни, блоки), приготовленные из сырьевой смеси, содержащей известь (гашеную или молотую негашёную), кварцевый песок и воду, кото­рые образуют в процессе автоклавной обработки гидросиликаты кальция:

Са(ОН)₂ + SiО₂ + mH₂О = CaО×SiО₂×nH₂О

Образующиеся гидросиликаты кальция аналогичны гидросиликатам, которые образуются при твердении портландцемента.

Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. Высокая температура при наличии в бетоне воды в капельно-жидком состоянии создаёт благоприятные условия для химического взаимодействия между гидроксидом кальция и кремнезёмом. Автоклавную обработку проводят по определённому режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5…2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175…200 ºС и давлении 0,8…1,3 МПа в течение 4…8 ч и снижение давления пара в течение 2…4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8…14 ч получают силикатные изделия.

К числу автоклавных силикатных изделий относят силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, плиты из тяжёлого силикатного бетона, панели перекрытий и стеновые, колонны, балки и пр. Легкие заполнители позволяют понизить массу стеновых панелей и других элементов. Силикатные изделия выпускают полнотелыми или облегчёнными со сквозными или полузамкнутыми пустотами. Особое значение имеют силикатные ячеистые бетоны, заполненные равномерно распределёнными воздушными ячейками, или пузырьками. Они могут иметь конструктивное и теплоизоляционное назна­чение, что обусловливает форму и размеры изделий, их качественные показатели.

Силикатные бетоны, как и цементные, могут быть тяжёлыми (заполнитель – песок и щебень или песок и песчано-гравийная смесь), лёгкими (заполнители пористые – керамзит, вспученный перлит, аглопорит и др.) и ячеистыми. В силикатном бетоне применяют известково-кремнезёмистое вяжущее, в состав которого входят воздушная известь и тонкомоло­тый кварцевый песок (взамен песка применяют золу, молотый до­менный шлак). Прочность известково-кремнезёмистого вяжущего зависит от активности извести, соотношения CaO/SiО₂, тонкости из­мельчения песка и параметров автоклавной обработки (температуры и давления насыщенного пара, длительности автоклавного тверде­ния).

Наибольшее применение получили тяжёлые мелкозернистые бетоны с пределом прочности при сжатии 15, 20, 25, 30, 40 и 50 МПа. Можно изготовить высокопрочные силикатные бетоны с более высоким пределом прочности – 60, 70, 80 МПа и более. Морозостойкость таких бетонов, особенно бетонов высокой прочности, достигает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания без заметных следов разрушений структуры. Кроме того, они обладают достаточной водостойкостью и стойкостью к воздействию некоторых агрессивных сред.

Силикатные бетоны можно армировать как обычной, так и предварительно напряжённой арматурой. Из тяжёлых силикатных бетонов изготовляют все несущие конструкции: панели стен и перекрытий, лестничные марши и площадки, балки колонны, плиты и другие детали для сборного промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства.

Силикатный кирпич изготовляется из жёсткой смеси кварцевого песка (92…94 %), извести (6…8 %, считая на активную СаО) и воды (7…9 %) путём прессования под давлением (15…20 МПа) и последующего твердения в автоклаве. Силикатный кирпич имеет такую же форму и те же размеры, как и обыкновенный глиняный – 250×120×65 мм Его изготовляют как сплошным, так и пустотелым. Выпускают также кирпич утолщённый (двойной) – 250×120×88 мм с пустотами и камень – 250×120×138 мм. В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич делят на марки М75, М100, М125, М150, М200, М250 и М300. Средняя плотность силикатного кирпича несколько выше, нежели у обычного глиняного, и составляет до 1800…1900 кг/м³, теплопроводность находится в пределах 0,81…0,87 Вт/(м׺С). По теплотехническим показателям силикатный кирпич подразделяют на эффективный с плотностью не более 1400 кг/м³ и теплопроводностью до 0,46 Вт/(м׺С), условно эффективный соответственно 1400…1650 кг/м³ и до 0,58 Вт/(м׺С) и обыкновенный с плотностью свыше 1650 кг/м³ и теплопроводностью до 0,7 Вт/(м׺С). Водопоглощение кирпича должно быть не более 16 % по массе, а морозостойкость – обусловлена марками: F15, F25, F35 и F50. По назначению этот кирпич именуют рядовым и лицевым. Лицевой может быть неокрашенным и цветным: голубого, зеленоватого, жёлтого и других цветов.

Себестоимость силикатного кирпича примерно на 25…35 % ниже глиняного, так как в два раза меньше расход топлива, в три раза – электроэнергии, ниже трудоёмкость производства. Он широко применяется для кладки несущих стен жилых, промышленных и гражданских зданий, для столбов, опор и т. д. Однако по сравнению с обычным глиняным кирпичом силикатный имеет пониженную стойкость против воздействия некоторых агрессивных сред. Такой кирпич не следует использовать для кладки фундаментов, особенно в условиях высокого уровня грунтовых вод. Нельзя применять силикатный кирпич в изделиях и конструкциях подверженных длительному воздействию температур свыше 500 ºС (печи, дымовые трубы и т. п.). При длительном нагреве силикатный кирпич разрушается вследствие дегидратации гидросиликата и гидроксида кальция.

Производство силикатного кирпича включает следующие стадии: добычу и просев песка, совместный помол извести с частью песка, смешение полученного вяжущего с немолотым песком и водой, гашение извести в смеси с песком, повторное перемешивание и доувлажнение полученной массы, прессование кирпичей, их укладку на вагонетки, загрузку в автоклав и обработку насыщенным водяным паром при 174,5 ºС (давлении 0,8 МПа).

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич – стеновые каменные материалы, отличающиеся от силикатного несколько меньшей средней плотностью и теплопроводностью. В состав известково-шлакового кирпича входят гранулированный доменный шлак (88…97 %), известь (3…12 %) и вода, а в состав известково-зольного – зола (75…80 %), известь (20…25 %) и вода. По пределу прочности при сжатии известково-шлаковый и известково-зольный кирпич делят на три марки: М25, М50 и М75. Средняя плотность этих каменных материалов 1400…1600 кг/м³, а теплопроводность 0,6…0,7 Вт/(м׺С). Использование шлака и золы для изготовления стеновых материалов позволяет расширить сырьевую базу и снизить себестоимость производства силикатных строительных материалов. Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич применяют главным образом для кладки стен зданий высотой не более трёх этажей или для кладки верхних этажей многоэтажных гражданских и промышленных зданий.

Силикатные изделия ячеистой структуры выпускаются в виде пено- и газосиликата. Пеносиликат – камневидный строительный конгломерат ячеистого строения, получаемый смешиванием технической пены с предварительно размолотой известково­-песчаной смесью.

Для изготовления пеносиликата берут обычно до 25 % молотой извести-кипелки и кварцевый песок. Кроме песка могут быть использованы доменный шлак, золы, трепел, диатомит и другие заполнители с большим содержанием кремнезёма. Известь и заполнители подвергают совместному или раздельному измельчению, после чего приготавливают ячеистую смесь путём перемешивания известково-песчаного раствора с устойчивой технической пеной. Готовую ячеистую смесь выпускают из смесительного барабана пенобетоно-мешалки в раздаточный бункер, а затем разливают в форму будуще­го изделия. По прошествии 6…8 ч пеносиликат в формах направляют в автоклавы для запаривания и отвердевания.

Газосиликат – искусственный каменный материал ячеистого строения, в котором пористая структура известково-песчаной смеси образуется введением газообразователей (алюминиевая паста и пудра). Технологический процесс получения газосиликата сходен с процессом производства газобетона и состоит в основном из измельчения извести и песка, приготовления известково-песчаного раствора совместно с газообразователем, формования изделия и запаривания в автоклаве.

Из силикатных бетонов ячеистой структуры изготовляют изделия со средней плотностью 300…1200 кг/м³ и пределом прочности при сжатии 0,4…20,0 МПа. Такие изделия характе­ризуются мелкопористой структурой, малой теплопроводностью – 0,1…0,35 Вт/(м׺С) и достаточной морозостойкостью. Пено- и газосиликаты с малой средней плотностью (до 500 кг/м³) используют для утепления строительных конструкций и тепловых установок (трубопроводов, котлов и др.). Изделия с пределом прочности 2,5…7,5 МПа и теплопроводностью до 0,29 Вт/(м׺С) применяют для изготовления крупноразмерных изделий наружных и внутренних стен, перегородок и перекрытий зданий. Конструктивно эти материалы можно армировать, если принять меры по предохранению арматуры от коррозии. Для перекрытий промышленных и жилых зданий изготовляют армогазосиликатные плиты с пределом прочности при сжатии выше 7,5 МПа. Плиты не требуют дополнительной теплоизоляции, являются достаточно прочными и долговечными.