книги / Строительные материалы

ГЛАВА 9. СИЛИКАТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

§1. ОСНОВЫ АВТОКЛАВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Кавтоклавным относятся материалы, получение ко­ торых основано на гидротермальном синтезе минералов,

ству искусственных строительных материалов автоклав­ ный способ предложен в 1880 г. В. Михаэлисом. За раз­ работку и внедрение в строительство силикатных бето­ нов П. И. Боженов, А. В. Волженский и другие ученые были удостоены Ленинской премии.

Современная технология автоклавных строительных материалов включает получение изделий различного на­ значения и свойств, в том числе конструктивных и теп­ лоизоляционных, штучных и крупноразмерных. В каче­ стве исходных сырьевых компонентов автоклавных материалов применяют преимущественно известково-пес­ чаные смеси и промышленные отходы — доменные шла­ ки, топливные золы, нефелиновый шлам и др. Наиболее распространены известково-песчаные (силикатные) ав­ токлавные материалы. При их тепловой обработке в ав­ токлавах идет взаимодействие между гидроксидом кальция, кремнеземом и водой, сопровождающееся об­ разованием труднорастворимых продуктов реакции —

.гидросиликатов кальция. В зависимости от соотношения концентраций СаО и Si02 в жидкой фазе возможно об­ разование гидросиликатов кальция различного состава. Например, если концентрация СаО в жидкой фазе мень­ ше концентрации Si02, связывание гидроксида кальция может происходить по следующей схеме:

Са (ОН)2 + Si02 + ( п — 1) Н20 СаО•Si02лН20 .

В противном случае вероятно образование гидроси­ ликата кальция повышенной основности:

2Са (ОН)2 + Si02 + ( п — 2) Н20 2Ca0-Si02.nH20.

При наличии насыщенного раствора гидроксида каль­ ция в известково-песчаных смесях, подвергаемых теп­ ловой обработке при 174—200 °С сначала образуются гидросиликаты кальция состава (1,8—2,4) CaO-SiCV

• (1—1,25) H20 и (1,5—2) Ca0-Si02-/iH20, которые, „со­ ответственно обозначают как C2SH(A) и C2SH2. В даль­ нейшем с увеличением температуры и длительности теп­ ловлажностной обработки образуются менее основные гидросиликаты кальция, состав которых изменяется в пределах (0,8—1,5) CaO-Si02 (0,5—2) Н20. Такие гид­ росиликаты обозначают CSH(B). Этот вид гидросиликатов обеспечивает получение изделий наиболее высо­ кой прочности. Более высокой морозостойкости и стой­ кости против действия углекислоты воздуха можно до­ стигнуть преобладанием в изделиях гидросиликатов группы C2SH(A).

Реактор для гидротермального синтеза — автоклав представляет собой цилиндрический горизонтальный сварной сосуд, герметически закрываемый сферически­ ми крышками. Диаметр автоклава 2—3,6 м, длина 1,9— 40 м. Применяют тупиковые и проходные автоклавы. Первые отличаются односторонней загрузкой и выгруз­ кой вагонеток с изделиями, оборудованы одной торце­ вой крышкой; вторые — двухсторонней загрузкой и выгрузкой, оборудованы двумя открывающимися торцо­ выми крышками. Вдоль по длине автоклава расположе­ ны рельсы для вагонеток с изделиями. Автоклавы обо­ рудованы магистралями для впуска насыщенного пара, перепуска отработанного пара в другой автоклав, вы­ пуска пара в атмосферу или в утилизатор и для конденсатоотвода.

Режим автоклавной обработки изделий (запарива­ ния) разделяют на пять этапов. Первый этап начинает­ ся с момента впуска пара до установления в автоклаве температуры 100°С. Пар интенсивно отдает теплоту, которая идет на нагрев стенок автоклава, вагонеток и автоклавируемых изделий. На этом этапе в результате значительных температурных перепадов между средой и поверхностью изделий возникают термические напря­ жения, которые при резком нагреве могут вызывать об­ разование трещин в изделиях.

Второй этап начинается с момента подъема давле­ ния в автоклаве и продолжается до достижения его максимальных значений. Повышение давления ускоря­ ет процесс теплообмена и приводит к сокращению тем­ пературных перепадов до 3—5 °С.

ческой выдержки зависит от требований к качеству из­ делий и от давления, причем она уменьшается с повы­ шением последнего.

Четвертый этап характеризуется снижением давле­ ния в автоклаве. Значительные перепады давлений и температуры, возникающие при резком снижении давле­ ния в автоклаве, могут вызвать бурное парообразование и появление трещин в изделиях.

Пятый этап — это период охлаждения изделий со 100 °С до 18—20 °С. В течение этого периода, как и пре­ дыдущего, важно не допустить чрезмерных температур­ ных перепадов и образования трещин в изделиях.

Для сокращения продолжительности снижения давле­ ния в автоклаве до атмосферного применяют вакууми­ рование. При этом давление водяного пара внутри изде­ лий начинает превышать давление в автоклаве, что спо­ собствует снижению температуры и сушке изделий.

Режим запаривания изделий подбирается с учетом особенностей сырьевых материалов. Оптимальные зна­ чения температуры находятся обычно в диапазоне 174— 200 °С, давления 0,8—1,5 МПа. В зависимости от режи­ ма запаривания изменяется количество, состав и струк­ тура гидросиликатов и других новообразований, что сказывается на свойствах изделий. В частности, при чрезмерном увеличении длительности автоклавной об­ работки растут размеры кристаллов новообразований и снижается прочность изделий.

Интенсификация твердения и улучшение основных свойств автоклавных изделий достигаются применением высокодисперсных сырьевых материалов. При изготов­ лении высокопрочных известково-песчаных изделий не­ гашеную известь размалывают с песком до удельной поверхности 3000—5000 см2/г и используют как вяжу­ щее.

Высокую реакционную способность при автоклавной обработке имеют аморфные и стеклообразные сырьевые Материалы. К ним относятся вулканические эффузив­ ные горные породы, гранулированные шлаки, топливные золы и др.

Основным вяжущим компонентом автоклавных си­ ликатных материалов является известь. Для производ­ ства силикатных изделий рекомендуется применение быстрогасящейся извести с суммарным содержанием ак­ тивных оксидов кальция и магния (активностью) более

.70 %. При этом содержание MgO должно быть не более 5 %. При использовании специальных технологических приемов возможно применение известесодержащих вя­ жущих, получаемых путем совместного измельчения не­ гашеной извести и гранулированного шлака или актив­ ных минеральных добавок, и белитового (нефелиново­ го) шлама.

Наряду с известью в автоклавной технологии, осо­ бенно в производстве ячеистых бетонов, возможно при­ менение портландцемента и его разновидностей. Введе­ ние портландцемента совместно с известью позволяет снизить отрицательное влияние ее неоднородности, умень. шить водопотребность смеси и повысить физико-механи­ ческие свойства материала. При производстве автоклав­ ных изделий эффективно применение малоактивных белитовых цементов, а также цементов с добавкой моло­ того песка. Портландцемент способствует повышению морозостойкости изделий, в случае появления дефектов структуры из-за многократного замораживания и оттаи­ вания происходит ее самозалечивание продуктами гид­ ратации цемента.

Наиболее распространенный заполнитель автоклав­ ных материалов — кварцевые пески. При применении полевошпатовых и карбонатных песков физико-механи­ ческие свойства изделий ухудшаются.

По объему производства автоклавные изделия зани­ мают в стране третье место среди стеновых материалов после глиняного кирпича и железобетона. Каждый 1 м3 автоклавных изделий позволяет экономить 200—400 кг цемента и 0,8—1 м3 щебня или керамзита. В выпуске автоклавных материалов ведущее место занимает сили­ катный кирпич, а затем стеновые изделия из ячеистого и плотного силикатных бетонов.

§ 2. СИЛИКАТНЫЙ КИРПИЧ

Силикатный кирпич представляет собой искусствен­ ный безобжиговый стеновой строительный материал, изготовленный прессованием из смеси кварцевого пес­ ка и извести с последующим твердением в автоклаве.

В составе сырьевой смеси для получения силикатно­ го кирпича содержание извести колеблется от 7 до 10 % в пересчете на активную СаО. Для повышения прочно­ сти силикатного кирпича в качестве вяжущего компонен-

‘ta tipименяют тонкомолотые известково-кремнеземистые, известково-шлаковые, известково-зольные смеси.

При производстве силикатного кирпича наиболее желательны кварцевые пески с зернами размером от 0,2 до 2 мм, имеющие минимальное количество пустот. До­ пускается содержание глинистых примесей не более 10 %. При содержании глины в песках более 10 % уве­ личивается водопоглощение, снижается прочность и мо­ розостойкость кирпича. Недопустимо значительное ко­ личество органических примесей, взаимодействующих с известью и снижающих прочность кирпича. Кроме того, при автоклавной обработке органические примеси, раз­ лагаясь, выделяют газы, вызывающие в изделиях обра­ зование трещин.

Технологический процесс производства силикатного кирпича включает добычу и подачу песка, дробление и помол извести, смешивание песка с молотой известью и гашение полученной смеси, прессование кирпича и за­ парку его в автоклавах. В зависимости от способа га­ шения извести различают силосный и барабанный спо­ собы производства силикатного кирпича. При более распространенном силосном способе (рис. 9.1) переме­ шанная увлажненная смесь извести с песком подается в металлические или железобетонные бункеры-силосы, где выдерживается 1—4 ч в зависимости от качества и скорости гашения извести.

В настоящее время при строительстве заводов сили­ катного кирпича вместо силосов в технологическую схе­ му вводят реакторы непрерывного действия. В отличие от силосов реакторы позволяют организовать производ­ ство по непрерывно-поточной схеме. При барабанном способе силикатная смесь для гашения поступает во вращающиеся барабаны.

Приготовленную сырьевую смесь влажностью 6—7 % прессуют при удельном давлении, достигающем 37 МПа. После прессования прочность кирпича-сырца должна быть не ниже 0,3 МПа. Завершающей операцией произ­ водства кирпича является автоклавная обработка. В за­ висимости от максимального рабочего давления (0,8— 1,6 МПа) длительность полного цикла автоклавной об­ работки составляет 8—12 ч.

Выпускают одинарный и модульный силикатный кирпич, а также силикатные камни. Одинарный кирпич изготовляют полно- и пустотелым размером 250X120X

силикатного камня 250X120X138 мм. Их изготавлива­ ют только пустотелыми, масса модульного кирпича в сухом состоянии должна быть не более 4,3 кг.

По теплотехническим свойствам и средней плотности

1400 кг/м3, камни плотностью не более 1450 кг/м3 и теп­ лопроводностью до 0,46 Вт/(м-К);

условнО’Эффективные (рис. 9.3), улучшающие тепло­ технические свойства ограждающих конструкций без снижения их толщины; к этой группе относят кирпич плотностью 1401— 1650 кг/м3,* камни плотностью 1451— 1650 кг/м3 и теплопроводностью до 0,58 Вт/(м-К);

Рис. 9.3. Условно-эффективные из­ делия

также предел прочности при изгибе) подразделяют на мэрки: 300, 250, 200, 150, 125, 100, 75.

•Наряду с рядовыми изготовляют лицевой силикат­ ный кирпич и камни. Они бывают неокрашенными и цветными — окрашенными в массе или с поверхностной, отделкой лицевых граней. Лицевой кирпич изготовляют марки не менее 125, а камни не менее 100. Водопогло-

щенне силикатного кирпича и камней должно быть не

менее 6 %.

По морозостойкости кирпич и камни могут иметь марки: Мрз 50, Мрз 35, Мрз 25 и Мрз 15. Морозостойкость лицевых изделий должна быть не ниже кирпича и кам­ ней, испытанных на морозостойкость, допускается поте­ ря прочности при сжатии не более чем на 25 % для ря­ довых изделий и на 20 % для лицевых.

Силикатные кирпич и камни, которым присвоена высшая категория качества, должны удовлетворять до­ полнительно следующим требованиям: марка по проч­ ности должна быть не менее125 для рядовых и 150 для лицевых изделий; марка по морозостойкости должна быть не менее Мрз 25 для рядовых и Мрз 35 для лице­ вых изделий.

Силикатный кирпич и камни применяют наряду с керамическим кирпичом для кладки каменных и арми- рованно-каменных наружных и внутренних конструк­ ций в надземной части зданий с нормальным и влажным режимом эксплуатации.

Вследствие более низкой стойкости к воде и к раст­ воренным в ней веществам силикатный кирпич в отли­ чие от керамического нельзя применять для кладки фун­ даментов и цоколей зданий ниже гидроизоляционного слоя. Не допускается использовать силикатный кирпич для стен зданий с мокрым режимом эксплуатации (бань, прачечных и др.) без специальных мер защиты стен от увлажнения. В этих конструкциях можно применять силикатный кирпич только повышенной морозостойко­ сти (Мрз 50). Силикатный кирпич не разрешается исполь­ зовать для кладки печей и труб, так как он не выдержи­ вает длительного воздействия высокой температуры.

Производство силикатного кирпича характеризуется высокими технико-экономическими показателями. Дли­ тельность производственного цикла для него в 5—10 раз меньше; кроме того, удельные капитальные вложения, расход топливно-энергетических ресурсов, затраты на получение единицы продукции в 1,5—2 раза ниже по сравнению с аналогичными показателями для керами­ ческого кирпича.

1. Плотные силикатны е бетоны

Силикатные бетоны представляют собой группу бе­ тонов автоклавного твердения на основе известково­ кремнеземистого вяжущего и минеральных заполните­ лей.

Известково-кремнеземистое вяжущее — продукт сов­ местного тонкого помола и гомогенизации смеси изве­ сти и кварцевого песка. Известково-кремнеземистое вя­ жущее относится к группе вяжущих материалов авто­ клавного твердения, имеющих низкую активность в обычных условиях, но при автоклавном синтезе обра­ зующих прочный искусственный камень. В эту группу вяжущих, кроме известко-кремнеземистого, входят так­ же смеси на основе извести и алюмосиликатных или кальциево-алюмосиликатных материалов природного или искусственного происхождения, а также смешанные вяжущие на основе портландцемента.

Как и цементные, силикатные бетоны классифициру­ ют в зависимости от плотности, особенностей структу­ ры, максимальной крупности, вида заполнителей, обла­ сти применения.

Преимущественное применение получили мелкозер­ нистые силикатные бетоны.

Б результате участия песка в реакции образования гидросиликатов кальция расход извести в силикатном бетоне примерно на 30 % меньше, чем расход цемента для обычных цементных бетонов той же прочности.

При подборе состава плотного силикатного бетона определяют расход смешанного вяжущего и содержание в нем извести (обычно в пределах 30—35 %), которые гарантируют'заданную прочность бетона при данной тон­ кости помола песка. Предварительно подсчитывают рас­ ход воды в смеси в зависимости от способа уплотне­

и воды.

Для ориентировочных расчетов по определению со­ става плотного силикатного бетона предложены эмпири-

ческие формулы в зависимости от вида применяемой из­ вести. При использовании негашеной извести

при использовании гашеной извести

где Re — прочность бетона (МПа-10); S M.n— удельная поверхность

существенно влияет не только содержание вяжущего и молотого песка (рис. 9.4—9.5), но и однородность сме­ си, степень ее уплотнения, водосодержание, качество из­ вести и песка, режим автоклавной обработки и т. д. По прочности при сжатии установлены следующие марки плотного силикатного бетона: 100, 150, 200, 250, 300 и 400. На основе известково-кремнеземистых вяжущих можно получить и бетоны более высокой прочности — до 80 МПа. За марку силикатных бетонов принимается пре­ дел прочности при сжатии (в кг/см2 или М Па-10) образ­ цов кубов с ребром 150 мм, прошедших автоклавную об­ работку одновременно с изделиями и испытанных при 20—25 °С.

Модуль упругости мелкозернистого силикатного бето­ на на 30 %, а ползучесть в 1,5—2 раза ниже аналогичных показателей равнопрочного цементного бетона нормаль­ ного твердения при той же крупности заполнителя.

Для силикатного бетона характерна более низкая коррозионная стойкость арматуры, что обусловлено сла­ бой щелочностью среды. Стойкость арматуры надежно обеспечивается при влажности воздуха до 60 %.

Водостойкость плотного силикатного бетона удовлет­ ворительная (коэффициент размягчения не ниже 0,75), хотя и несколько ниже водостойкости цементного бетона, морозостойкость при низкой формовочной влажности ;и вибрационном уплотнении достигает 200 и более циклов. Плотные силикатные бетоны успешно применяются для изготовления мелких изделий и крупноразмерных арми­ рованных несущих конструкций.