книги из ГПНТБ / Новопашин, А. А. Материалы на основе минеральных вяжущих конспект лекций

и в Шлаке, поэтому буроугольные шлаки часто малопрочны и неморозостойки. Лучшими считаются шлаки из обычных камен­ ных углей, представляющие собою вспученные стекловидные ку­ ски с небольшой примесью кокса.

Все разновидности топливных шлаков могут содержать сво­ бодную СаО, FeS2 и растворимые соли. Окись кальция при вза­ имодействии с водой гасится с увеличением объема, и ее запоз­ далое гашение может вызвать разрушение бетона. Сернистое же­ лезо, реагируя с водой, образуетH2S—сероводород, обладающий неприятным запахом и вызывающий коррозию железа. Раство­ римые соли служат причиной появления выцветов на стенах. Поэтому топливные шлаки перед использованием в бетонах под­ вергают вылежке на открытых площадках, где они часто дого­ рают и, подвергаясь действию атмосферных осадков, стабилизи­ руются. известь гасится, сернистое железо разлагается, раство­ римые соли вымываются.

Эффективность шлаков меньше, чем у искусственных запол­ нителей: обычно насыпной объемный вес их равен 900 кг/м3 и прочность ниже прочности керамзита к аглопорита, но они де­ шевле. Используют топливные шлаки обычно для бетонов ограж­ дающих конструкций.

При сжигании каменных углей -в пылевидном состоянии, как это практикуется на тепловых электростанциях, получается зола,

иизвести, выполняя функции активнрй минеральной (гидравличе­ ской) добавки, а также в силикатных бетонах. Золы с содержани­ ем углерода более 10% применяются в качестве топливосодер­ жащей добавки к глинам и суглинкам, причемпри малом содер­ жании углерода они становятся основным компонентом шихты, а суглинки вводятся в качестве добавки, склеивающей зерна золы

ипозволяющей получить гранулы, пригодные для обжига. При обжиге глинозольных гранул во вращающейся печи получается глино-зольный керамзит, а при спекании гранул,, из золы и су­

глинка на агломерационных решетах — глино-зольный аглопорит, которые, по существу, являются разновидностью керамзита и аглопорита и используются наравне с ними.

д) Вспученный перлит К числу горных пород вулканического происхождения относят­

ся вулканические стекла: перлит, обсидиан, виттрит и некото­ рые другие, содержащие в своем составе до 7% воды. При бы­ стром нагревании во вращающихся печах стекла размягчаются, а испаряющаяся вода вспучивает их, образуя мелкопористые структуры. Некоторые вулканические стекла, вспучиваясь при обжиге, увеличиваются в объеме в 15 раз. Получающийся в ре­ зультате этого щебенистый, или пескообразный, материал обоб­ щенно называют вспученным перлитом. Объемный (насыпной) вес вспученного перлита колеблется в пределах от 75 до 25 кг/м3.

40

Применяется он для приготовления теплоизоляционных бетонов и растворов — главным образом в виде штучных деталей (бло­

гармониковидной формы. В зависимости от крупности зерен верми­ кулита объемный вес меняется от 80 до 150 кг/м3 — при величи­ не зерен от 5 до 15 мм и до 400 кг/м3 — если зерна будут мень­ ше.

Вермикулит используют для тепловой изоляции оборудова­ ния, работающего при температурах до 1100° С, для засыпок и изготовления особо легких бетонов.

2.МЕЛКИЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ

Вкачестве мелкого заполнителя в легких бетонах обычно используются те же материалы* что и в виде крупного, измель­

чая их в нужной степени; в некоторых случаях (например, при подготовке топливных шлаков, шлаковой пемзы и аглопорита) мелкая фракция в достаточном количестве образуется в процес­ се дробления.

При использовании в бетонах керамзитового гравия часть его предварительно дробят в молотковых мельницах и добавляют к обычному гравию в процессе приготовления бетона. При дробле­ нии стенки пор в керамзите разрушаются, и объемный вес пес­ ка возрастает примерно вдвое, т. е. для приготовления одного кубометра керамзитового песка приходится дробить два кубомет­ ра керамзитового гравия. Поэтому керамзитовый песок, получае­ мый дроблением, очень дорог. Часто в практике бетонного произ­ водства в качестве мелкого заполнителя применяют обычный реч­ ной песок, что ведет к значительному увеличению объемного ве­ са бегона и'снижению его эффективности. Применение речного песка оправдано только при изготовлении конструктивного бето­ на высоких марок.

В настоящее время начинает увеличиваться производство керамзитового песка в кипящем слое. При этом способе глиня­ ная крошка непрерывно подается в реактор, где через ее слой продуваются горячие газы при температуре около 1100° С. Ско­ рость газов регулируется так, что зерна глины «витают» в газо­ вом потоке, чем и создается эффект «кипения». Зерна глины при такой температуре вспучиваются и, поднимаясь в верхнюю часть слоя, удадрются из реактора. Такой песок дешевле получаемого дроблением, он обладает большой прочностью, правда, пока его еще очень мало.

В качестве мелкого заполнителя в легких бетонах использу­ ют также топливные золы, содержание углерода в которых не превышает 10%. При этом объемный вес бетона несколько уве­ личивается по сравнению с керамзитовым песком.

41

3.ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ЛЕГКИХ БЕТОНОВ

Основные показатели, характеризующие свойства легких бето­ нов (прочность, объемный вес, коэффициент теплопроводности и др.)> зависят от многих факторов, которые не всегда можно учесть. Пористость заполнителей обусловливает отсос воды из цементного теста и уменьшение В/Ц. Вместе с водою из цемент­ ного теста в поверхностный слой заполнителя поступает гидро­ окись кальция. Взаимодействуя с Si02 и А120 3 шлакового стекла, она образует гидросиликаты кальция, которые уплотняют и уп­ рочняют поверхностный слой зерна заполнителя. Прочность зе­ рен заполнителя меньше прочности бетона, и поэтому значение качества укладки возрастает в большей степени, чем у тяжелых бетонов. В результате выражение зависимости

я б= НА- Яц; U/B)

оказывается действительным только для строго определенных условий. Так, например, для пемзобетонов предлагается две фор­ мулы:

Д6 = 0 ,25 -/?ц (Ц /В -0,15);

= 0,35-Яц ( Ц /В - 0,2).

Что касается керамзитобетонов, то такая зависимость ока­ зывается действительной только для керамзитового гравия опре­ деленной марки.

Поскольку прочность заполнителя в легких бетонах в боль­ шинстве случаев меньше прочности самого бетона, то особое зна­ чение приобретает толщина цементной обоймы на поверхности зерна, определяемая содержанием цемента р единицах объема бе­ тонного камня. В результате формула прочности легких бетонов приобретает такой вид:

ния серии соответствующих опытов. Для этого пользуются мето­ дикой, разработанной Н. А. Поповым. Определение состава бето­ на состоит из следующих этапов:

а) подбирают оптимальный зерновой состав заполнителей, обеспечивающий наиболее плотную укладку зерен;

б) приготовляют не менее 3-х смесей с разными расходами цемента, например: 100, 150 и 200 кг на кубический метр смеси заполнителей;

42

Расход йоды, п/пг

Рис. 19. Зависимость бетонной сме­

си огг содержания воды в бетонной смеси

Рис. 20. Зависимость прочности бе­

тона от расхода цемента

43

в) определяют оптимальную добавку воды, обеспечивающую при данном способе укладки наибольшую плотность бетона или его максимальный объемный вес у0б. (пока воды мало—смесь плотно уложить нельзя, когда воды много — увеличивается объ­ ем пор за счет избытка воды) (рис. 19);

г) определяют объем пробного замеса бетона по формуле

прочности бетона от расхода цемента. В узком интервале прочно­ сти, например, только для теплоизоляционных или только для кон­ структивно-теплоизоляционных бетонов, эту зависимость можно

ч4. РАЗНОВИДНОСТИ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

В зависимости от вида применяемого заполнителя легким бе­ тонам присваивается соответствующее название. На щебне из вулканических горных пород изготовляют туфобетон и пемзобе­ тон, из искусственных заполнителей—керамзитобетон, аглопоритобетон, термозитобетон (на шлаковой пемзе—термозите) и перлнтобетон, а на топливных отходах изготовляют шлакобетон. Кроме этих названий, существует большое количество других, от­ ражающих либо местные условия, либо особенности производст­ ва или просто названные так, как это хотелось исследователю, изобретшему данный материал, или фирме, организовавшей его производство.

Из легких бетонов на основе минеральных вяжущих и запол­ нителей изготовляют, главным образом, строительные детали ограждающих конструкций: стеновые панели, крупные или мелкие блоки. Блоки обычно относятся к группе конструктивно-теплоизо­ ляционных материалов, из них кладут стены, которые прини­ мают на себя нагрузку от междуэтажных перекрытий и кровли.

Стеновые панели бывают двух видов—несущие, т. е. так же, как и блоки, образующие несущие стены здания, и самонесущие, или навесные, которые вследствие малого объемного веса и проч­ ности выполняют только функции теплоизоляции и поэтому на­ вешиваются на специальный каркас здания — металлический или железобетонный. Перлитобетон и вермикулитобетон исполь-

44

зуются, главным образом, в виде плит, скорлуп, сегментов и других фасонных деталей для теплоизоляции.

Впоследнее время керамзит и аглопорит начинают все шире применяться в конструктивных бетонах с прочностью до 500 кг/см2.

Вэтом случае удается снизить собственный вес конструкции при­ мерно на 25%. Из конструктивного керамзито- и аглопоритобетона изготовляют фермы, балки и плиты перекрытий в таких ответ­ ственных сооружениях, как мосты, путепроводы и здания об­ щественного назначения.

Всельском строительстве применяются конструкции из бе­ тонов на минеральных вяжущих с применением в качестве за­ полнителя материалов органического происхождения. Чаще все­ го это отходы от переработки древесины: стружки, опилки и так называемая дробленка, получаемая путем рубки в специ­ альных машинах горбыля, реек, срезок и древесной щепы с по­ следующим дополнительным измельчением в молотковых дро­ билках. Кроме древесных отбросов, в качестве заполнителя в легких бетонах могут быть использованы отходы сельскохозяй­ ственного производства: костра конопли, подсолнечная лузга, а также сечка камыша и соломы.

Вкачестве вяжущего в таких бетонах обычно применяется портландцемент марки «400» — «500». Но могут быть использова­ ны, по существу, все минеральные вяжущие: гипсовые, магнези­ альные и известково-пуццолановые.

Для обеспечения прочности сцепления поверхности заполни­ теля с цементным камнем при изготовлении бетона в смесь вво­ дятся специальные добавки, нейтрализующие вредно действую­ щие на твердение вяжущего водорастворимые органические вещества. В качестве таких добавок используют хлористый кальций и жидкое стекло. Иногда для повышения стойкости против загнивания (повышение биостойкости) в смесь добавля­ ют фтористый натрий.

Легкие бетоны на минеральных вяжущих и органических заполнителях встречаются в практике под разными местными фирменными .названиями (дюризол, велокс, вундстоун и др.), но

унас в СССР их обычно называют арболитом. Арболит на

при действии огня древесина в нем обугливается, но не горит. Арболит можно пилить обычной пилой и забивать в него гвоз­ ди. Специфические свойства арболита обусловливают его при­ менение для изготовления теплоизоляционных (плиты, скор­ лупы) и конструктивно-теплоизоляционных (блоки, панели) из­ делий.

На основе магнезиальных вяжущих (каустический магнезит и каустический доломит), лучше сцепляющихся с поверхностью

45

древесины, приготовляют более прочные материалы, например, ксилолит (заполнитель — опилки) с прочностью до 400 кг/см2, применяемый для устройства полов.

IV. ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ

Ячеистыми называют бетоны, в которых в качестве заполни­ теля выступает воздух или газ. В соответствии с этим ячеистые бетоны подразделяются на пенобетоны и газобетоны.

1. ПЕНОБЕТОН

Для изготовления пенобетонов используют вяжущее и пено­ образователь, содержащий поверхностно-активные вещества, которые, концентрируясь на грани раздела двух фаз — воды и воздуха, понижают поверхностное натяжение жидкости и тем способствуют образованию устойчивой пены.

Вкачестве вяжущих в пенобетонах чаще всего использует­ ся портландцемент с добавкой тонкодисперсного кварца есте­ ственного (маршалит) и искусственного (молотый песок) про­ исхождения; в качестве вяжущего может быть использована также тонкомолотая смесь извести-кипелки и песка или топлив­ ных зол, горелых пород, доменных шлаков и т. п.

Вкачестве пенообразователя используют:

а) омыленные (обработанные NaOH) органические веще­ ства: боенскую кровь (пенообразователь ГК);

б) канифольное мыло с добавкой для повышения устойчиво­ сти пены животного клея (клееканифольный пенообразователь);

в) отходы нефтепереработки, содержащие сульфокислоты, с добавкой сернокислого глинозема (алюмосульфонафтеновый

пенообразователь);

г) природный пенообразователь — экстракт мыльного корня с добавкой стабилизатора — растворимого стекла (смолосапо­

ниновый пенообразователь).

Приготовление пенобетона производится в комбинирован­ ной трехбарабанной мешалке (рис. 21). В первом, верхнем ба­ рабане взбивается пена, а во втором — приготовляется цемент­ ное тесто. Затем тесто и пена сливаются в нижний барабан, где перемешиваются. При этом цементное тесто распределяется по поверхности воздушных пузырьков, образуя стойкую структуру, которая не разрушается даже при дальнейшем переливании массы в формы.

Формирование пенобетонного камня заканчивается в пропа­ рочных камерах или чаще всего в автоклавах.

46

4 9 0

g

«о

2750

Si

C\i

i

Puc. 21ГТрехбарабанная бетономешалка для приготовления пено­

ячеистых масс:

J — бак для воды; 2 — бак для эмульсии; 3 — эмулъсатор; 4 — мешалка для цементного теста; 5 смеситель; 6 •*=привод,

2. ГАЗОБЕТОН

Для изготовления газобетона используются те же вяжущие, что и для пенобетона, но порообразование осуществляется за счет химических реакций, сопровождающихся выделением га­ зов. Например, в результате взаимодействия алюминиевой пуд­ ры с известью

aq

2А1 + ЗСа(ОН)я -> ЗСаО • А120 3 • 6НаО + 4Н2 Т

образуются трехкальциевый гидроалюминат и водород; при раз­ ложении перекиси водорода

2Н20 2 -> 2Н20 -)- 0 2 f

выделяется кислород. Один грамм металлического алюминия при гидратации выделяет 1,25 литра водорода, т. е. для образования 1 м3 газобетона с 50% пустот требуется израсходовать 0,4 кг алюминия. Изменяя количество добавляемой в цементное тесто алюминиевой пудры, можно получить газобетон с любым объем­ ным весом.

Технология приготовления газобетона включает следующие операции:

а) приготовление вяжущего (смесь портландцемента с моло­ тым песком или извести с молотым песком; в обоих случаях воз­ можна добавка топливных зол);

б) в растворосмесителе к вяжущему добавляются газообразователь, вода и иногда едкий натр для ускорения гидратации

схватится. Для того, чтобы уменьшить В/Ц и получить большую прочность, массу иногда разжижают вибрированием;

г) срезается'«горбушка», т. е. избыток газобетонной массы,

свойств исходных материалов, режима тепловлажностной обра­ ботки (пропарка или запарка) и влажности. В зависимости от прочности ячеистые бетоны подразделяются на марки: «25», «35», «50», «75», «100», «150» и «200».

Теплопроводность ячеистых бетонов зависит от объемного веса и влажности: при уо=400-^500 кг/м3 А = 0,1-^-0,8 ккал/

48

м. град, час; при у0 == 7004-750 кг/м® %= 0,2-:-0,25 ккал/м. град, час, а при у0 = 10004-1200 кг/м3 X= 0,4—0,5 ккал/м.град.час.

Водопоглощаемость ячеистых бетонов зависит от .размера и структуры пор и колеблется в пределах 30-4-50%• Для умень­ шения водопоглощения ячеистые бетоны с поверхности обраба­ тывают гидрофобными веществами (например, ГКЖ — гид­ рофобная кремнийорганическая жидкость). Морозостойкость ячеистых бетонов может быть весьма значительной — от 10 до 200 циклов.

V. АРМИРОВАННЫЙ БЕТОН

Прочность при сжатии у бетонов, как и у всех каменных ма­ териалов, значительно больше (в 1,54-20 раз) прочности при рас­ тяжении: если прочность при сжатии конструктивных бетонов ко­ леблется в пределах 1504-600 кг/см12, то их прочность при растя­ жении равна всего 104-30 кг/см2. Поэтому, несмотря на ис­ ключительные достоинства бетона: прочность, долговечность, воз­ можность изготовления конструктивных элементов практически любой формы и протяженности, применение его все же ограни­ чивается конструкциями, работающими только на сжатие. Вме­ сте с тем имеются материалы, обладающие высокой прочностью на растяжение, но не позволяющие приготовлять конструкции с большой пространственной жесткостью и обладающие доста­ точной стойкостью против воздействия внешней среды. Напри­ мер, сталь имеет прочность на растяжение от 2000 до 25000 кг/см2, асбест 30000 кг/см2 — одного кристалла и 600 кг/см2 — асбесто­ вого волокна, древесина — 4004-1200 кг/см2, органические смо­ лы—более 350 кг/см2.

Но сталь поддается коррозии, древесина гниет и горит, смо­ лы горят и стареют, из асбеста изготовить конструкцию просто невозможно. Это обстоятельство обусловливает стремление комбинировать в конструкции различные по свойствам матери­ алы с тем, чтобы хорошо сопротивляющиеся растяжению сталь и асбест, а также полимерные материалы и в некоторых случа­ ях древесина, армировали бетон, увеличивая его прочность при растяжении. Так, в середине прошлого столетия появились желе­ зобетон, а позднее — армоцемент, асбоцемент и полимербетон.

1.ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Всовременном строительстве железобетон, т. е. бетон, арми­ рованный стальными стержнями различного диаметра, располо­ женными в направлении усилий растяжения, стал одним из ос­ новных конструктивных материалов. Объясняется это удачным сочетанием свойств соединяемых материалов. К ним относятся:

49