STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

9.7.СИЛИКАТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

9.7.1ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения представляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистрго (силикатного) камня, синтезируемого в процессе автоклавной обработки под действием пара при высокой температуре и повышенном давлении. Одним из основных компонентов сырьевой смеси, из которой формуются изделия, служит известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке. Именно поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например шлаки, золы ТЭЦ и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким будет измельченный песок, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси.

Вкачестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п. Непременным компонентом во всех смесях выступает вода.

К числу автоклавных силикатных изделий относят силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, плиты из тяжелого 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 облегченными со сквозными или полузамкнутыми пустотами. Особое значение имеют силикатные ячеистые бетоны, заполненные равномерно распределенными воздушными ячейками, или пузырьками. Они могут иметь конструктивное и теплоизоляционное назна- чение, что обусловливает форму и размеры изделий, их качественные показатели.

Изделия приобретают свойства, необходимые для строительных материалов, после автоклавной обработки, в процессе которой образуется новый известково- кремнеземистый цемент с характерными для него новообразованиями гидросиликатов кальция и магния, а также безводных силикатов.

Возможность образования в автоклаве камневидного изделия была установлена в конце XIX в., но массовое производство силикатных изделий, деталей и конструкций, особенно типа бетонов, было впервые организовано в нашей стране. Технология их изготовления механизирована и в значительной мере автоматизирована, что обеспечивает получение более дешевой продукции по сравнению с цементными материалами и изделиями. Эффективные исследования в этом направлении были выполнены П.И. Боженовым, А.В. Волженским, П.П. Будниковым, Ю.М. Буттом и др. Было показано, что при автоклавной обработке образуются наиболее устойчивые низкоосновные гидросиликаты с

соотношением CaO:SiO2 в пределах 0,8—1,2, хотя на промежуточных стадиях отвердевания возможны и более высокоосновные химические соединения. П.И. Боженов, отмечая «технический синтез» цементирующей связки в автоклавном конгломерате, состоящей из смеси гидросиликатов, полагает, что химическое сырье должно удовлетворять определенным требованиям. Оно должно быть высокодисперсным с удельной поверхностью порошка в пределах 2000—4000 см2/г, по возможности аморфным, стеклообразным. Химически активное сырье обеспечивает не только образование цементирующей связки в j автоклавном конгломерате, но и ряд технологических свойств сырьевой смеси (формуемость изделий, ровность их поверхности, транспортабельность и др.). Но не только химические и физико-химические процессы влияют на формирование структуры и свойств силикатных материалов при автоклавной обработке. А.В. Волженский первым обратил внимание на изменение тепловлажностных условий при автоклавной обработке и их влияние на качество изделий.

Всвязи с этим было принято выделить три этапа в автоклавной обработке: наполнение

331

автоклава и изделий паром до заданного максимального давления; спуск пара; извлечение изделий из автоклава.

Полный цикл автоклавной обработки, по данным П.И. Божено-ва, слагается из пяти этапов: впуск пара и установление температуры 100°С; дальнейшее повышение температуры среды и давления пара до назначенного максимума; изотермическая выдержка при постоянном давлении (чем выше давление, тем короче режим автоклавизации); медленное и постепенное нарастание скорости снижения давления пара до атмосферного, а температуры — до 100°С; окончательное остывание изделий в автоклаве или после выгрузки их из автоклава. Оптимальный режим, т. е. наилучшие условия по величине давления пара, температуры и продолжительности всех стадий обработки, обусловливается видом сырья, хотя по экономическим соображениям всегда стремятся к быстрому подъему и медленному спуску давления.

Формирование микро- и макроструктуры силикатного изделия в автоклаве происходит на различных стадиях обработки. Механизм отвердевания известково-песчаного сырца до камневидного состояния выражается в том, что вначале образуется известково-кремнезе- мистое цементирующее вещество как продукт химического взаимодействия основных компонентов в смеси в условиях повышенных давлений и температур. Согласно одной из теорий (П.П. Будникова, Ю.М. Бутта и др.), образование цементирующего вещества происходит через предварительное растворение извести в воде. Так как растворимость извести с повышением температуры понижается, то постепенно раствор становится насыщенным. Но с повышением температуры возрастает растворимость тонкодисперсного кремнезема. Так, например, с повышением температуры с 80 до 120°С растворимость кремнезема возрастает (по данным Кеннеди) почти в 3 раза. Поэтому при температуре 120—130°С известь и кремнезем, находясь в растворе, взаимодействуют с образованием гелеобраз-ных гидросиликатов кальция. По мере дальнейшего повышения температуры новообразования укрупняются с возникновением зародышей и кристаллической фазы, а затем и кристаллических сростков. При избытке извести возникают сравнительно крупнокристаллические двуосновные гидросиликаты кальция типа C2SH(A) и Са3SH2, а после полного связывания извести и в процессе перекрис- таллизации возникают более устойчивые микрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH(B) и C5S6H5 (тоберморит). Кристаллизация происходит вокруг зерен кварца и в межзерновом пространстве; сопровождается срастанием кристаллических новообразований в каркас с дальнейшим его упрочнением и обрастанием.

Согласно другой теории, образование микроструктуры вяжущего происходит не через растворение извести и кремнезема, а в твердой фазе под влиянием процесса самодиффузии молекул в условиях водной среды и повышенной температуры. Имеется и третья теория (А.В. Саталкин, П.Г. Комохов и др.), допускающая образование микроструктуры вяжущего в результате реакций в жидкой и твердой фазах.

Большую пользу в формировании структуры и свойств силикатных камня и материалов оказывают вводимые в смеси добавочные вещества (добавки), выполняющие функции ускорителей процессов образования гидросиликатов кальция или магния, кристаллизации новообразований, модификаторов свойств и структуры. В целом в составе силикатного камня преобладают низкоосновные гидросиликаты кальция, имеющие тонкоигольчатое или чешуйчатое микрокристаллическое строение CSH(B) и тоберморит C5S6H5. В высоко- известковых смесях в результате синтеза образуется гиллебрандит 2СаО·Si02·Н2O (т. е.

C2SH).

332

Рис. 9.28. Зависимость прочности силикатного камня от соотношения масс известкового теста (Ит) и молотого песка (Пм), а также от состава смеси:

1 — 20:80; 2 — 40:60; 3 — 60:40; 4 — 80:20. В числителе количество извести, в знаменателе — количество молотого песка (помола), взятых по массе

(с) служит известковое тесто (Ит), а в качестве твердой дисперсной фазы (ф) выступает молотый кремнеземистый (песчаный) компонент (Пм). Активность (прочность) известково-кремнеземистого вяжущего вещества оптимальной структуры после автоклавной обработки, как и другие свойства силикатного материала, зависит от величины соотношения Ит: Пм (по массе). Результаты экспериментальных исследований показали, что пределы прочности при сжатии, на растяжение при изгибе, средняя плотность и другие показатели свойств силикатного камня принимают экстремальные значения при некотором минимальном соотношении с*/ф = ИT*/ПМ (рис. 9.28). В полном соответствии с формулой (3.4) прочность силикатного конгломерата Rc = R*/x, где R* - прочность автоклавного силикатного камня оптимальной структуры; х = Ит/Пм : И*/Пм = δ/ δ* — отношение усредненных толщин пленок известкового теста соответственно в вяжущем веществе конгломерата и в вяжущем веществе оптимальной структуры; n — показатель степени, зависит от качества исходных материалов.

Рис. 9.29. Зависимость прочности мелкозернистого силикатного бетона от соотношения масс известково- кремнеземистого вяжущего и песка:

1 — 80:20; 2 — 60:40; 3 — 40:60; 4 — 30:70; 5 — 20:80; б — 17:83. Составы изготовлялись: 1,2,3 — с

применением керамдора; 4, 5, 6 — с применением гранитного щебня. Кривые оптимальных структур I, II и Ш относятся к бетону соответственно с применением гранитного щебня, керамдора и только местного карьерного песка

Выполненные исследования силикатного камня и силикатного конгломерата на примерах бетонов мелко- и крупнозернистых (рис. 9.29) показали, что при оптимальных структурах их свойства полностью подчиняются общим закономерностям ИСК.

Кроме кремнеземистого сырьевого материала, можно использовать в производстве автоклавных изделий распространенные малокварцевые виды сырья — полевошпатовые, глинистые, карбонатные пески, а также шлаки и другие побочные продукты

333

промышленности. Минералы малокварцевого сырья, растворившись в условиях автоклавирования, становятся активными компонентами, не уступающими по растворимости кварцу. Их активность зависит от размеров радиусов анионов и катионов, входящих в их состав. В автоклаве формируется новое вяжущее (безобжиговое солешлаковое вяжущее), по свойствам превосходящее известково-кремнеземистое автоклавное твердение. Оно состоит из низкоосновных слабозакристаллизованных гидросиликатов кальция, а в присутствии ионов алюминия — из высокоосновных гидросиликатов кальция.

334

9.7.2. СИЛИКАТНЫЙ (ИЗВЕСТКОВО-ПЕСЧАНЫЙ) КИРПИЧ

Силикатный кирпич — искусственный камневидный материал, получаемый путем прессования увлажненной смеси кварцевого песка и извести с последующим запариванием в автоклаве. Сырьем для его производства служат кварцевый песок (92— 94% от массы сухой смеси) и известь (6—8%), считая на активную СаО. Перед прессованием в изделия известково-песчаную смесь увлажняют до 7—9% по массе.

Кварцевые пески, применяемые в производстве кирпича, должны состоять из зерен различной крупности для уменьшения объема пустот, иметь примесей слюды не более 0,5% и быть без включений глины, снижающих качество изделий.

Известь может быть негашеной или гидратной с содержанием не более 5% MgO. Наличие в извести пережога затрудняет гашение ее и может способствовать растрескиванию кирпича. Обычно используют быстрогасящуюся известь с содержанием около 70% активной СаО.

Изготовление силикатного кирпича включает следующие операции: измельчение извести- кипелки, смешение извести с песком, гашение извести в смеси с песком, дополнительное перемешивание и увлажнение смеси до 7—9%, формование (прессование) кирпича и обработка сырца-кирпича в автоклавах. Основными операциями являются формование и запаривание сырца. Формование кирпича производится на рычажных прессах под давлением 15,0—20,0 МПа. Отформованный кирпич-сырец укладывается на вагонетки и Подается для запаривания в автоклав.

Запаривание сырца в автоклаве (по П.И. Боженову) условно состоит из пяти этапов: 1) от начала пуска пара до установления в ав токлаве температуры 100°С; 2) от начала подъема давления пара до установления максимально заданного; 3) выдержка изделия при по- стоянной температуре и давлении ; 4) с момента снижения давления и температуры до 100°С; 5) остывание изделий до температуры 18—20°С (возможно добавление вакуумирования). Для высококачественной автоклавной обработки сырца задают определенный режим: постепенный подъем давления пара в течение 1,5—2,0 ч, изо- термическая выдержка при температуре 175—190°С в течение 4—8 ч, снижение давления пара и температуры в течение 2—4 ч. Весь цикл запаривания длится 10—14 ч. Выгруженный из автоклава кирпич выдерживают 10—15 дней на воздухе для карбонизации непрореагировавшей извести углекислым газом. Карбонизация извести способствует повышению плотности, прочности и водостойкости силикатного кирпича.

Силикатный кирпич имеет такую же форму и те же размеры, как и обыкновенный глиняный, — 250x120x65 мм. Его изготовляют как сплошным, так и пустотелым. Выпускают также крупноразмерный кирпич (250x120x88 мм) с пустотами. В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич делят на марки 75, 100, 125, 200 и 250. 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·К). По теплотехническим показателям силикатный кирпич подразделяют на эффективный с плотностью не более 1400 кг/м3 и теплопроводностью до 0,46 Вт/(м·К), условно эффективный соответственно 1401—1650 кг/м3 и до 0,58 Вт/(м·К) и обыкновенный с плотностью свыше 1650 кг/м3 и теплопроводностью до 0,7 Вт/(м·К). Водопоглощение кирпича должно быть не более 16% по массе, а морозостойкость — обусловлена марками: F50, 35, 25 и 15. По назначению этот кирпич именуют рядовым и лицевым. Лицевой может быть неокрашенным и цветным: голубого, зеленоватого, желтого 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 трудоемкость 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

335

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°С (печи, дымовые трубы и т. п.). При длительном нагреве силикатный кирпич разрушается вследствие дегидратации гидросиликата и гидрооксида кальция.

336

9.7.3. ИЗВЕСТКОВО-ШЛАКОВЫЙ И ИЗВЕСТКОВО-ЗОЛЬНЫЙ КИРПИЧ

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич — стеновые каменные материалы, отличающиеся от силикатного несколько меньшей средней плотностью и теплопроводностью. В состав изве-стково-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: 25, 50, 75. Средняя плотность этих каменных материалов 1400—1600 кг/м3, а теплопроводность 0,6—0,7 Вт/(м·К).

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 трех этажей или для кладки верхних этажей многоэтажных гражданских и промышленных зданий.

337

9.7.4. СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ

Силикатный бетон — камневидный искусственный строительный конгломерат, получающийся из уплотненной и отвердевшей в автоклаве увлажненной смеси молотой негашеной извести (6—10%), молотого кварцевого песка (8—15%) и обычного кварцевого песка (70—80%) или другого заполнителя. Силикатные бетоны могут быть тяжелыми — со средней плотностью более 1800 кг/м3 (в них плотные заполнители — песок и щебень или гравий), легкими — со средней плотностью менее 1800 кг/м3 (в них заполнители — керамзит, аглопорит и др.) и ячеистыми — со средней плотностью менее 500 кг/м3. Разделяют бетоны мелкозернистые с крупностью зерен заполнителя до 5 мм и крупнозернистые с зернами более 5 мм.

Наибольшее применение получили тяжелые 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. Прочность, морозостойкость и другие свойства силикатных бетонов в значительной степени зависят от тонкости помола песка и содержания его в смеси при определенном количестве активной СаО. Так, при содержании активной СаО 12,5% с увеличением удельной поверхности молотого песка прочность и морозостойкость силикатного бетона заметно возрастают.

Силикатные бетоны можно армировать как обычной, так и предварительно напряженной арматурой. Однако при влажном режиме эксплуатации конструкций арматуру следует защищать антикоррозионными составами. При нормальном режиме эксплуатации арматура в плотном силикатном бетоне не корродирует, поэтому силикатные бетоны широко применяют в промышленном и гражданском строительстве наравне с обычными цементными бетонами.

Из тяжелых 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. Из прочных силикатных бетонов изготовляют также напряженно-армированные железнодорожные шпалы, тюбинги для шахтного строительства и метро, безасбестовый шифер и другие изделия. Силикатный бетон находит применение для строительства сборных покрытий и оснований дорог общего пользования. Он имеет высокую сопротивляемость износу (не более 0,3 мм в год) и высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля (0,65—0,80). Кроме несущих конструкций из силикатных бетонов (с добавкой цемента М400) изготовляют облицовочные изделия, в частности силикатные облицовочные плиты. Их применяют для облицовки кирпичных жилых и промышленных зданий, за исключением цоколей, наружных подоконников, поясков и других частей зданий, подвергающихся значительному увлажнению. Возможность окраски силикатных плит в различные цвета с помощью щелочестойких пигментов позволяет повысить их декоративные качества и широко использовать для архитектурной отделки фасадов зданий.

В настоящее время значительное внимание уделяется развитию производства легких силикатных бетонов с применением пористых заполнителей, например керамзита, аглопорита, вспученного перлита, шлаковой пемзы и др. Вяжущим веществом в таких бетонах служит тонкомолотая известково-кремнеземистая смесь, обеспечивающая приобретение прочности в условиях автоклавной обработки.

338

9.7.5. СИЛИКАТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРЫ

Силикатные изделия ячеистой структуры могут быть также 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 кремнезема. Известь и заполнители подвергают совместному или раздельному измельчению, после чего приготавливают ячеистую смесь путем 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 будуще- го 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. 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 характе- ризуются мелкопористой структурой, малой теплопроводностью [(0,1—0,35 Вт/(м·К)] 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·К) применяют для изготовления крупноразмерных изделий наружных и внутренних стен, перегородок и перекрытий зданий. Для перекрытий промышленных и жилых зданий изготовляют армопеносиликатные плиты с пределом прочности при сжатии выше 7,5 МПа. Плиты размерами (150—300)х50х(10—14) см не требуют дополнительной теплоизоляции, являются достаточно прочными и долговечными.

339

9.8. АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ

9.8.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Асбестоцементные материалы образуют важную разновидность ИСК, применяемых в кровле (шифер), в виде стеновых панелей, труб и декоративных изделий.

Для изготовления асбестоцементных изделий применяют три основных компонента: цемент и воду, формирующие вяжущую часть этих конгломератных материалов; асбест, который служит активным заполняющим компонентом. Он успешно выполняет функции армирования цементного камня — матрицы в этом ИСК. Состав и структура асбестоцемента обеспечивают изделиям в несколько раз большую прочность при растяжении и изгибе, чем их имеют цементный камень или цементный бетон. Имеются и другие положительные качественные характеристики у этого конгломератного материала: повышенная сопротивляемость ударным нагрузкам, возможность выбора окраски изделий по желанию заказчика, сравнительно малая масса стеновых панелей при использовании теплозащитных вкладышей, высокие тешюфизические характеристики, высокая огнестойкость. Поэтому продукция асбестоцементной промышленности пользуется у строителей большим спросом. Кроме традиционного шифера и труб в строительстве широко применяют вентиляционные короба, электроизоляционные доски, изделия «малых форм» — подоконники, оконные сливы и др.

340