Технология вяжущих и композиционных материалов. Лабораторный практикум. Учебное пособие

41

3. Основные строительно-технические свойства силикатного кирпича

При выполнении научно-исследовательской работы (УНИРС) в отдельных случаях либо при выполнении дипломной научноисследовательской работы проводятся исследования свойств силикатного кирпича. В начале исследования устанавливается оптимальный состав силикатной смеси. Исследования состоят из двух этапов:

На первом этапе определяется оптимальный состав известковопесчаного вяжущего. Для этого приготавливаются 3 смеси из измельченных компонентов при соотношение извести и песка в вяжущем =

1,5:1; 1:1; 1:1,5.

Смешивается 25% приготовленной смеси вяжущего и 75% неизмельченного песка. Формуются и автоклавируются образцы по выбранному режиму. По завершении автоклавной обработки образцы испытываются на прочность при сжатии. По полученным результатам выбирается оптимальный состав вяжущего по максимальной прочности сырца и автоклавированных образцов при меньшем расходе извести.

На втором этапе определяется оптимальный состав силикатной смеси для получения силикатного кирпича. На выбранном вяжущем оптимального состава приготавливаются смеси в процентном соотношении вяжущего и песка неизмельченного в соотношении 15 : 85; 20 : 80; 25 : 75; 30 : 70. Формуются и автоклавируются образцы по выбранному режиму. После чего образцы испытываются на прочность при сжатии. По качественным показателям сырца и запаренных образцов выбирается состав силикатной смеси для получения силикатного кирпича.

При известных свойствах сырьевых компонентов состав силикатной смеси при исследовании свойств силикатного кирпича проводится расчетным способом. Расчет проводится на принятую условную единицу - 1000 штук условного кирпича. После этого проводится пересчет состава на необходимую для исследования массу смеси [12].

Исходные данные для расчета:

объем 1000 штук рядового кирпича - 1,95 м3; плотность кирпича - ρк , (1800-1950 кг/м3); активность извести - А изв, %; активность смеси - А см, %;

естественная влажность песка - WП %. Масса 1000 штук сухого кирпича Мс , кг

Мс = 1,95· ρК .

42

Теоретический расход извести GИ, кг/1000 шт. кирпича

GИ = МС · АСМ/АИЗВ .

Теоретический расход песка GП, кг/1000шт. кирпича

GП = МС – GИ.

Теоретический расход песка естественной влажности, кг/1000 шт.кирпича:

GПW = 100/100 – WП,

Количество измельченного песка определяется выбранным соотношением извести и песка при помоле вяжущего.

При равных количествах измельчаемых извести и песка количество измельчаемого песка на 1000 штук кирпича:

GПИЗМ GИ .

Теоретический расход неизмельчаемого сухого и влажного песка на 1000 шт. кирпича:

GПН GП GПИЗМ

GПНW GПН 100/100 WП .

По результатам расчета составляется силикатная смесь. Формование и автоклавирование исследуемых образцов проводится по ранее приведенной методике. После автоклавной обработки образцы внимательно осматривают и измеряют. Отклонения в размерах образцов не допускаются. Образцы с трещинами и сколами ребер и углов также для дальнейших исследований не используются. Отобрав целые образцы с гладкой поверхностью высушивают до постоянного веса при температуре не превышающей 100 ºС и подвергают дальнейшим испытаниям. К исследуемым свойствам силикатного кирпича относятся:

-определение средней плотности образцов;

-определение прочности на сжатие;

-определение водопоглощения;

-определение морозостойкости;

-определение теплопроводности.

Определение средней плотности образцов. Отобранные для ис-

пытания образцы взвешивают с точностью до 0,01 г. Для испытания используют гидростатический метод. Образцы (не менее трех из каждой серии) предварительно насыщают водой под вакуумом в специальном приборе, состоящем вакуумнасоса и соединенного с ним эксикатора. После создания в системе разрежения до 20 мм ртутного столба (300 Па) насос отключают, в эксикатор впускается вода до полного покрытия образцов. Затем впускается воздух посредством открытия

43

крана, соединяющего систему с воздухом. На этом насыщение образцов водой заканчивается. Так как прессованные образцы имеют в основном сообщающиеся поры, то насыщение их водой происходит быстро (2 - 3 мин) [8].

Для определения плотности образцов необходимо иметь гидростатические весы и сосуд с жидкостью, который уравновешен на нулевую отметку весов.

Насыщенный водой образец помещают на специальную сетку весов и опускают в сосуд с водой и взвешивают в воде. Затем его извлекают, снимают с его поверхности избыток воды, прикладывая увлажненную или отжатую от воды ткань. Снимать избыток воды фильтровальной бумагой нельзя, так как она отсасывает воду из пор образца. Сразу же после этого образец взвешивают на воздухе. Плотность образца вычисляют по формуле:

, г/см3,

где m0 – масса высушенного образца, г; m1 – масса насыщенного на воздухе водой образца, г; m2 – масса насыщенного водой образца в воде, г; m1 –m2 – масса вытесненной воды (или объем), г или см3.

Вкачестве жидкости для насыщения и заполнения сосуда можно использовать воду только для автоклавированных образцов с полным связыванием гидроксида кальция. Если в образцах присутствует свободный гидрооксид кальция или исследуются сырьевые образцы, то по причине растворения гидроксида кальция воду необходимо заменить на инертную жидкость, к примеру, безводный керосин, бензин и т.д. При этом в формулу определения плотности образцов вносится поправочный коэффициент, рассчитываемый как отношение плотности воды

ииспользуемой жидкости. Среднюю плотность образцов силикатного кирпича рассчитывают по трем полученным значениям.

Внекоторых случаях допускается плотность образцов определять как отношение массы к объему образца. Это в большей степени относится к сырьевым прессованным образцам, которым характерны открытые сообщающиеся поры. В процессе автоклавной обработки образующиеся гидросиликаты кальция на поверхности кварцевых зерен изменяют структуру пор. Поровые каналы перекрываются, поры переплетаются в зависимости от степени кристаллизации и формы кристаллов гидросиликатов кальция. Кроме этого, при изменении режима автоклавной обработки (температуры и времени) не всегда достигается полное связывание гидроксида кальция. Поэтому в данном случае более правильно при определении плотности образцов пользоваться гидростатическим методом.

44

Плотность образцов силикатного кирпича существенно влияет на многие строительно-технические свойства, такие как прочность на сжатие и изгиб, морозостойкость и т.д. Однако при этом необходимо наряду с плотностью учитывать общую пористость изделий и особенно характер распределения пор по размерам и количество пор данной величины. Эти характеристики пористой структуры можно проследить, используя микроскопический метод, метод ртутной порометрии

ивоздухопроницаемости и др.

ВГОСТ 379-95 «Кирпич и камни силикатные» приведено следую-

щее распределение полнотелых автоклавных изделий: - пористые – средней плотности до 1500 кг/м3; - плотные – средней плотности свыше 1500 кг/м3.

Прессованные изделия плотностью менее 1500 кг/м3 можно получить при большом количестве пустот (свыше 25%) и при использовании в качестве песка отсевы легких компонентов (керамзита, перлитового песка и др.).

Определение прочности образцов силикатного кирпича. Проч-

ностью называется способность материала сопротивляться разрушению от напряжений, возникающих под действием внешних сил. Прочность материалов характеризуется пределом прочности, т.е. тем напряжением, при котором происходит разрушение материала. Предел прочности при сжатии образцов силикатного кирпича определяют на гидравлическом прессе как среднее при испытании не менее пяти образцов. В условиях производства предел прочности при сжатии и изгибе (марку кирпича) определяют для каждой партии изделий, За партию принимается один автоклава. По значениям предела прочности при сжатии и изгибе устанавливают марку кирпича (табл. 10).

Таблица 10

Определение марки одинарного и утолщенного полнотелого силикатного кирпича

45

Определение водопоглощения силикатного кирпича. Водопо-

глощение – способность материала впитывать и удерживать в себе воду. Водопоглощение образцов определяют следующим образом. Три образца высушивают до постоянного веса и взвешивают в сухом состоянии. Затем образцы помещают в воду с температурой 15-20 ºС до полного насыщения водой (выдержка 48 часов). После этого поверхность образцов вытирают сухой тканью и снова взвешивают. Разница в массе образцов, выраженная в процентах, характеризует степень водопоглощения образцов силикатного кирпича.

Величина водопоглощения материалов зависит от величины и строения пор: если поры закрытые, то водопоглощение меньше, чем при открытых и сообщающихся порах. Водопоглощение строительных материалов изменяется в широких пределах. В частности, водопоглощение силикатного кирпича составляет от 8 до 15%, бетона – 2…3%. По ГОСТ 379-95 водопоглощение силикатного кирпича должно быть не менее 6%.

Увлажнение материалов отрицательно сказывается на их прочности. Экспериментально установлено, что при попеременном увлажнении и высушивании снижается предел прочности на сжатие всех гидросиликатов кальция, и тем значительнее, чем меньше закристаллизованы гидросиликаты. Особенно это касается гидросиликатов кальция тоберморитовой группы, различия в которой определены Х.Тейлором по степени их кристаллизации.

Однако для плотных силикатных изделий автоклавного твердения типа силикатного кирпича в стандарте ограничены минимальные значения водопоглощения. С учетом особенностей поровой структуры прессованных изделий эти ограничения не позволяют создавать более плотные изделия и создают благоприятные условия для взаимодействия извести и песка через раствор с образованием гидросиликатов кальция и их кристаллизации.

Определение морозостойкости силикатного кирпича Морозо-

стойкостью называется способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения, расслаивания и т.д. и без значительного понижения прочности.

Разрушение и значительное понижение прочности материалов, насыщенных водой, происходит в результате того, что при отрицательных температурах вода в порах материала замерзает и увеличивается в объеме до 9%. Образующийся в порах лед давит на стенки пор, разрушая их, и тем самым снижает прочность материала.

46

Морозостойкость силикатного кирпича зависит от структуры пор кирпича, степени заполнения пор водой (водопоглощения), морозостойкости образовавшихся при автоклавной обработке гидросиликатов кальция и их количества, прочности кирпича на сжатие и изгиб и ряда других факторов.

По морозостойкости силикатный кирпич (ГОСТ 379-95) подразделяют на марки: F 15, F 25, F 35, F 50. Марка по морозостойкости лицевых изделий должна быть не менее F 25. За марку по морозостойкости принимают число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при которых в образцах кирпича отсутствуют признаки выдимых повреждений (шелушение, расслаивание, выкрашивание и др.). Снижение прочности на сжатие силикатного кирпича допускается не более 25% для рядового кирпича и не более 20% – для лицевых изделий.

Образцы силикатного кирпича испытывают на морозостойкость в морозильных камерах с температурой охлаждения до минус 15º С. Предварительно образцы насыщают водой в течение 48 часов. Температура воды при этом должна составлять не менее 18º С. Насыщенные водой образцы замораживают в камере в течение 4-х часов. Затем их погружают в воду комнатной температуры (+18º С), где они оттаивают в течение 2-х часов. Оттаявшие образцы вновь замораживают, и весь цикл повторяют снова. После каждого цикла образцы осматривают и фиксируют все виды разрушений. Через 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцы испытывают на прочность при сжатии (не менее трех образцов). Следующие испытания проводят через 25 циклов и т.д. При соответствии всех показателей: допустимого снижения прочности и внешних изменений, фиксируют морозостойкость образцов. Количество циклов попеременного замораживания и оттаивания можно изменять в соответствии с программой исследования.

На производстве водопоглощение и морозостойкость изделий определяют не реже одного раза в квартал, а также при изменении технологического режима или исходных сырьевых материалов.

Определение теплопроводности силикатного кирпича. Тепло-

проводностью называется способность материала передавать через свою толщину тепло при разности температур на поверхностях. Показатель теплопроводности важен при выборе строительных материалов, используемых для сооружений ограждающих конструкций зданий: наружных стен, верхних перекрытий, полов и др.

Степень теплопроводности материала характеризуется коэффициентом теплопроводности (λ). В системе СИ коэффициент теплопро-

47

водности определяется удельным тепловым потоком, направленным по нормали к изотермической поверхности при изменении температуры по этому направлению в один градус на единицу длины. Выражается коэффициент теплопроводности через Вт/м·град К.

Теплопроводность материала зависит от степени его пористости, конфигурации и размера пор, влажности, плотности и средней температуры, при которой происходит передача теплоты.

Для силикатного кирпича взаимосвязь плотности кирпича и теплопроводности примерно находится в следующем соответствии:

На предприятиях теплопроводность силикатного кирпича определяют по методике НИИ строительной физики в специализированных лабораториях.

4.Тематика научно-исследовательской работы

ипоследовательность ее выполнения

Учебная научно-исследовательская работа студентов может проводиться по изучению свойств известково-песчаного вяжущего и влияния отдельных факторов на качество силикатного кирпича. На первом этапе работы проводится исследование свойств сырьевых материалов и подготовка их к исследованию (сушка, измельчение).

Песок предварительно высушивается, в отдельной пробе определяется влажность. После этого поэтапно проводятся следующие испытания:

-отсев крупных включений (более 5мм);

-определение модуля крупности;

-определение содержания кристаллического кварца (по нерастворимому остатку);

-определение содержания глинистых включений;

-измельчение до заданной удельной поверхности;

-определение удельной поверхности песка в вяжущем;

-анализ пригодности песка по ОСТ 21-1-80.

Известь. При работе с известью необходимо по возможности исключить контакт с воздухом, т.к. она быстро карбонизируется углекислотой воздуха и гасится водяными парами, содержащимися в воздухе. Поэтому с целью сохранения активности извести при выполнении учебной научно-исследовательской работы известь желательно отби-

48

рать непосредственно на предприятии после ее обжига (за печью на выходе из холодильника). Для этого используется стеклянная (термическая) посуда с притертой пробкой. При температуре извести менее 30-40º С можно использовать полиэтиленовые пакеты, которые после заполнения необходимо крепко завязать. В лаборатории известь пересыпать в стеклянную посуду с завинчивающимися крышками, которые после каждого открытия и закрытия необходимо быстро залить парафином либо замазать пластилином. Посуду с известью открытой не оставлять! Известь предварительно дробится в лабораторной дробилке или вручную в металлической ступке. После этого отбирается средняя проба и проводятся следующие испытания:

- определение активности и скорости гашения извести; -исследование на содержание непогасившихся зерен и качествен-

ный или при необходимости количественный их анализ; - измельчение извести до заданной удельной поверхности.

После проведенных исследований свойств сырьевых материалов приготавливается известково-песчаное вяжущее по заданным по программе соотношениям извести и песка. Вяжущее приготавливают совместным измельчением компонентов либо смешением предварительно измельченных извести и песка. Качество известково-песчаного вяжущего контролируется по его активности, удельной поверхности и остаткам на ситах 02 и 008.

Из приготовленного известково-песчаного вяжущего формуются образцы, которые подвергают автоклавной обработке по заданному в программе режиму. Контроль качества вяжущего проводится по прочности образцов при сжатии, определению свободного и связанного гидроксида кальция и фазового состава гидросиликатов кальция. При необходимости по согласованию с преподавателем перечень исследуемых свойств вяжущего расширяют.

Примерная тематика УНИРС

1. Влияние активности силикатной смеси на качество силикатного кирпича.

2.Изучение возможности замены части кварцевого песка на отсевы горных пород или части извести на активные техногенные продукты.

3.Исследование влияния тонкости помола извести и кварцевого песка на качество вяжущего.

4.Исследование кинетики твердения известково-песчаного вяжущего из традиционных сырьевых материалов и техногенных продуктов.

5. Исследование фазового состава новообразований автоклавированного вяжущего при использовании некондиционного сырья.

49

6.Влияние различных факторов на гидратационную активность извести.

7.Исследования в системах СаО-Н2О; SiО2-Н2О и СаО-SiО2-Н2О при изменении различных факторов.

8.Влияние содержания глинистых включений на формовочные свойства силикатной смеси и качество силикатного кирпича.

9.Изучение возможности замены извести на другие вяжущие материалы и отходы металлургического производства и топливной промышленности.

10.Изучение строительно-технических свойств силикатного кирпича при изменении некоторых технологических параметров его производства.

После выполнения экспериментальных исследований проводится анализ полученных результатов – устанавливается причина изменения свойств вяжущего или силикатного кирпича. Прочностные показатели подтверждаются результатами физико-химических исследований. По окончании работы делаются выводы.

Результаты учебной научно-исследовательской работы обобщаются

иоформляются в виде отчета, который состоит из следующих разделов:

1.Введение, в котором раскрывается цель исследования.

2.Реферат по данной теме – обзор учебной, научной и технической литературы.

3.Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение. Результаты исследований приводятся в виде таблиц, графиков, проводится их сравнение с известными данными по заданной теме из литературных источников и объяснение полученных результатов.

4.Выводы по экспериментальной части.

5.Список используемой литературы.

5.Некоторые параметры силикатного кирпича (ГОСТ 379-95)

1.По назначению изделия подразделяются на рядовой и лицевой кирпич и камни. Лицевой кирпич может быть цветным, как объемного, так и поверхностного окрашивания.

2.Кирпич и камни силикатные (далее изделия) изготавливают в форме прямоугольного параллепипеда размерами:

50

Утолщенный кирпич допускается выпускать по согласованию с потребителем.

3.Предельные отклонения от номинальных размеров и геометрической формы изделия не должны превышать, мм:

- по длине, толщине и ширине - не более 2; - по непараллельности граней – не более 2.

4.Одинарный и утолщенный кирпич изготавливают полнотелым и пустотелым, камни – только пустотелыми. Масса утолщенного кирпича в высушенном состоянии должна быть не более 4,3 кг.

5.Изделия изготавливают:

-по прочности (марок) - 75; 100; 125; 150; 175; 200; 250; 300. Марка по прочности лицевого кирпича должна быть не менее 125, лицевых камней – не менее 100;

- по морозостойкости – F15; F25; F35; F50. Марка по морозостойкости лицевых изделий должна быть не менее F25.

6.В зависимости от средней плотности полнотелые изделия под-

разделяют на:

- пористые со средней плотностью до 1500 кг/м3; - плотные – свыше 1500 кг/м3.

7.Условное обозначение силикатных изделий должно состоять из названия, вида и назначения изделия, марки по прочности и морозостойкости (табл. 11).

8.Водопоглощение изделий должно быть не менее 6%.

Таблица 11

Обозначения силикатных изделий по стандарту

Примеры условных обозначений