Силикатные строительные материалы и изделия. Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения. Силикатные бетоны и изделия из них

Силикатными материалами называются материалы из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и алюмосиликатов. Они представляют широко распространенную группу твердофазных материалов, то есть веществ, обладающих совокупностью свойств, которые определяют то или иное их практическое применение (И.В. Тананаев). Так как главным в этом определении материала является признак его применимости, то к группе силикатных материалов относят и некоторые бессиликатные системы, применяемые для тех же целей, что и собственно силикаты.

Силикаты – это соединения различных элементов с кремнеземом (оксидом кремния), в которых он играет роль кислоты. Структурным элементом силикатов является тетраэдрическая ортогруппа 4- с атомом кремния Si 4+ в центре и атомами кислорода O 2- в вершинах тетраэдра, с ребрами длиной 2.6·10 -10 м (0.26 нм). Тетраэдры в силикатах соединены через общие кислородные вершины в кремнекислородные комплексы различной сложности в виде замкнутых колец, цепочек, сеток и слоев. В алюмосиликатах, помимо силикатных тетраэдров, содержатся тетраэдры состава [ AlO 4 ] 5- с атомами алюминия Al 3+ , образующие с силикатными тетраэдрами алюминий-кремний-кислородные комплексы.

В состав сложных силикатов помимо иона Si 4+ входят: катионы: Na + , K + , Са 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , B 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Al 3+ , Ti 4+ и анионы: О 2 2- , ОН - , F - , Cl - , SO 4 2- , а также вода. Последняя может находиться в составе силикатов в виде конституционной, входящей в кристаллическую решетку в форме ОН - , кристаллизационной Н 2 O и физической, абсорбированной силикатом.

Свойства силикатов зависят от их состава, строения кристаллической решетки, природы сил, действующих между ионами, и, в значительной степени определяются высоким значением энергии связи между атомами кремния и кислорода, которая составляет 450–490 кДж/моль. (Для связи С–О энергия составляет 314 кДж/моль). Большинство силикатов отличаются тугоплавкостью и огнеупорностью, температура плавления их колеблется от 770 до 2130 о С. Твердость силикатов лежит в пределах от 1 до 6-7 ед. по шкале Мооса.

Химический состав силикатов принято выражать в виде формул, составленных из символов элементов в порядке возрастания их валентности, или из формул их оксидов в том же порядке. Например, полевой шпат K 2 Al 2 Si 6 O 16 может быть представлен как КАlSi 3 О 8 или К 2 O·Аl 2 O 3 ·6SiО 2 .

Все силикаты подразделяются на природные (минералы) и синтетические (силикатные материалы). Силикаты – самые распространенные химические соединения в коре и мантии 3емли, составляя 82 % их массы, а также в лунных породах и метеоритах. Общее число природных известных силикатов превышает 1500. По происхождению они делятся на кристаллизационные (изверженные) породы и осадочные породы. Природные силикаты используются как сырье в различных областях народного хозяйства:

В технологических процессах, основанных на обжиге и плавке (глины, кварцит, полевой шпат и др.);

В процессах гидротермальной обработки (асбест, слюда и др.);

В строительстве;

В металлургических процессах.

Силикатные материалы насчитывают большое количество различных видов, представляют крупномасштабный продукт химического производства и используются во многих областях народного хозяйства. Сырьем для их производства служат природные минералы (кварцевый песок, глины, полевой шпат, известняк), промышленные продукты (карбонат натрия, бура, сульфат натрия, оксиды и соли различных металлов) и отходы (шлаки, шламы, зола).

На рис. 11.1 приведена классификация силикатов.

Рис. 11.1. Классификация силикатов

По масштабам производства силикатные материалы занимают одно из первых мест. В табл. 11.1. представлены данные о производстве важнейших видов силикатных материалов в Российской Федерации.

Таблица 11.1

Производство силикатных материалов в Российской Федерации

Силикатными материалами и изделиями называются необожженные материалы и изделия на основе минеральных вяжущих - асбестоцементные, гипсовые и гипсобетонные, силикатные (на основе извести) и магнезиальные с заполнителями (кварцевым песком, шлаком, золой, пемзой, опилками и т. д.). Области применения их чрезвычайно обширны - от несущих и ограждающих конструкций до отделки зданий и сооружений.

Силикатные изделия получают в результате формования и последующей автоклавной обработки смеси извести или других вяжущих веществ на ее основе, тонкодисперсных кремнеземистых добавок, песка и воды.

Силикатный кирпич - искусственный каменный материал, изготовляемый из смеси кварцевого песка и извести путем прессования под большим давлением и последующего твердения в автоклаве. Исходными материалами являются воздушная известь - 6-8% в расчете на СаО, кварцевый песок - 92-94% и вода - 7-8% по массе сухой смеси.

Существуют две схемы производства силикатного кирпича: силосная и барабанная. По силосной схеме известь, совместно с песком, гасят в силосах в течение 4-8 ч. По барабанной схеме известь, совместно с песком, гасят во вращающихся барабанах с подводом пара под избыточным давлением до 0,5 МПа благодаря чему процесс гашения длится 30-40 мин.

Погашенная смесь извести и песка увлажняется, перемешивается и прессуется под давлением 15-20 МПа, в результате получается сырец, который укладывают на вагонетки и направляют в автоклавы на 10-14 ч для запаривания под давлением насыщенного пара 0,8 МПа (изб.) при температуре около 175 о С. Прочность силикатного кирпича растет в течение некоторого времени и после выгрузки из автоклава (на воздухе).

Силикатный кирпич выпускают двух видов: одинарный (размером 250х120х65 мм) и модульный (размером 250х120х88 мм). Модульный кирпич изготавливают с технологическими пустотами, замкнутыми с одной стороны. Цвет кирпича светло-серый, но он может быть и цветным за счет введения в состав смеси щелочестойких минеральных пигментов.

Благодаря прессованию под большим давлением и отсутствию усадочных явлений размеры силикатного кирпича выдержаны более точно, чем у глиняного. Плотность его несколько выше, чем у керамического кирпича - 1800-1900 кг/м 3 , теплопроводность - 0,82 - 0,87 Вт/(м о С). В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич изготавливают шести марок: 75, 100, 125, 150, 200 и 250. Морозостойкость силикатного кирпича не ниже М рз 15, водопоглощение 8-16% по массе.

Области применения силикатного кирпича такие же, как и керамического кирпича. Однако он не рекомендуется для кладки фундаментов и стен в условиях высокой влажности, так как воздействие грунтовых и сточных вод вызывает его разрушение. Нельзя использовать силикатный кирпич в конструкциях, подверженных действию высоких температур (в печах, дымовых трубах и т. п.).

Силикатными бетонами называют большую группу бетонов автоклавного твердения, получаемых на основе известково-песчаного, известково-зольного или других известково-кремнеземистых вяжущих. Кроме того, в качестве вяжущего могут использовать молотые доменные шлаки.

Плотный мелкозернистый силикатный бетон, в отличие от тяжелого бетона, в своем составе не содержит крупного заполнителя (гравия или щебня). Структура силикатного бетона более однородна, а стоимость значительно ниже.

Прочность его при сжатии колеблется в довольно широких пределах (15-60 МПа) и зависит от состава смеси, режима автоклавной обработки и других факторов. Водостойкость силикатного бетона удовлетворительная. При полном водонасыщении снижение их прочности не превышает 25%. Морозостойкость - 25-50 циклов, а при добавке портландцемента она повышается до 100 циклов.

Из плотного силикатного бетона выполняют крупные стеновые блоки наружных стен с щелевыми пустотами и внутренних несущих стен, панели и плиты перекрытий, колонны, балки и прогоны, лестничные площадки и марши, цокольные блоки и другие армированные изделия.

В легких силикатных бетонах в качестве заполнителей используют керамзит, гранулированный шлак, шлаковую пемзу и другие пористые материалы в виде гравия и щебня. Из легких силикатных бетонов на пористых заполнителях изготовляют блоки и панели наружных стен жилых зданий.

В наибольшем количестве в земной коре (литосфере) содержится свободный кремниевый ангидрид или кремнезем Si0 2 . В состав большинства минералов он входит в виде силикатов -> химических соединений с основными окислами. Свободный природный кристаллический кремнезем встречается в виде кварца - одного из наиболее распространенных в земной коре минералов. Его кристаллы имеют форму шестигранных призм с шестигранными же пирамидами на концах (основаниях). Кварц обычно непрозрачен, чаще он белого, молочного цвета. Спайность у кварца отсутствует, излом его раковистый, он имеет жирный блеск; с щелочами при обычной температуре не соединяется и под действием кислот (кроме плавиковой) не разрушается. Удельный вес кварца 2,65, твердость 7 по шкале твердости. Кварц имеет высокую прочность при сжатии (около 20 000 кГ/см 2) и хорошо сопротивляется действию истирания. При нагревании до температуры 575° С кварц из β-модификации переходит в α-модификацию (высокотемпературную), скачкообразно увеличиваясь в объеме примерно на 1,5%. При температуре 870° С он начинает переходить в тридимит (удельный вес 2,26), значительно увеличиваясь в объеме (минерал тридимит кристаллизуется в виде тонких шестигранных пластинок). Эти изменения объема кварца при высоких температурах необходимо учитывать в производстве огнеупорных динасовых изделий. При температуре 1710° С кварц переходит в жидкое состояние. При быстром остывании расплавленной массы (расплава) образуется кварцевое стекло - аморфный кремнезем с удельным весом 2,3.

В природе встречается минерал опал аморфной структуры, представляющий собой гидрат-кремнезема (Si0 2 *nH 2 0). Аморфный кремнезем активен, может соединяться с известью при нормальной температуре, тогда как кристаллический кремнезем (кварц) приобретает эту способность только под действием пара большого давления (в автоклаве) или при сплавлении.

ГРУППА АЛЮМОСИЛИКАТОВ

Второе место после кремнезема занимает в земной коре глинозем А1 2 О 3 . Свободный глинозем в природе встречается в виде минералов корунда и других глиноземистых минералов.

Корунд - один из наиболее твердых минералов. Его используют для производства высокоогнеупорных материалов, он является ценным абразивом.

Другой глиноземистый материал - диаспор - представляет моногидрат глинозема А1203. Н20 и содержит 85% А1203. Диаспор входит в состав бокситов - тонкодисперсных горных пород часто красного или фиолетового цвета, богатых глиноземом (от 40 до 80%) и используемых как сырье для производства глиноземистого цемента.

Глинозем обычно находится в виде химических соединений с кремнеземом и другими окислами, называемых алюмосиликатами. Наиболее распространенными в земной коре алюмосиликатами являются полевые шпаты, которые составляют по весу более половины всей массы литосферы. К этой же группе минералов относятся слюды и каолиниты.

ГРУППА ЖЕЛЕЗИСТО-МАГНЕЗИАЛЬНЫХ СИЛИКАТОВ

Минералы, входящие в эту группу, имеют темную окраску, поэтому,nих часто называют темноокрашенными минералами. Удельный вес их больше, чем других силикатов, твердость находится в пределах 5,5- 7,5; они обладают значительной вязкостью. При большом содержании их в горных породах они придают последним темный цвет и большую вязкость, т. е. повышенную сопротивляемость удару. Наиболее распространенными породообразующими минералами железисто-магнезиальной группы являются пироксены, амфиболы и оливин.

ГРУППА КАРБОНАТОВ

В осадочных горных породах наиболее часто встречаются породообразующие карбонатные минералы (карбонаты), важнейшие из них - кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит, или кристаллический известковый шпат СаС0 3 один из самых распространенных минералов земной коры. Он легко раскалывается по плоскостям спайности по трем направлениям, имеет удельный вес 2,7 и твердость 3. Кальцит слабо растворим в чистой воде (0,03 г в 1 л), но растворимость его резко возрастает при содержании в воде агрессивной двуокиси углерода СО 2 , так как образуется кислый углекислый кальций Са(НС0 3)2, растворимость которого почти в 100 раз больше, чем кальцита.

Магнезит MgC0 3 встречается большей частью в виде землистых или плотных агрегатов, обладающих скрыто-кристаллическим строением. Он тяжелее и тверже кальцита.

Доломит CaC0 3 -MgC0 3 по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд и прочен и еще меньше растворим в воде.

ГРУППА СУЛЬФАТОВ

Сульфатные минералы (сульфаты), так же как и карбонаты, часто встречаются в осадочных горных породах; важнейшие из них - гипс и ангидрит.

Гипс CaS0 4 *2H 2 0 типичный минерал осадочных пород. Строение его кристаллическое, иногда мелкозернистое, кристаллы пластинчатые, столбчатые, игольчатые и волокнистые. Встречается гипс преимущественно в виде сплошных зернистых, волокнистых и плотных пород вместе с глинами, сланцами, каменной солью и ангидритом. Гипс имеет белый цвет, иногда бывает прозрачен или окрашен примесями в различные цвета. Удельный вес его 2,3, твердость 2.

В воде гипс растворяется сравнительно легко при температуре 32-41° С, растворимость его в 75 раз больше, чем кальцита.

Ангидрит CaS0 4 имеет удельный вес 2,8-3, твердость 3-3,5; по внешнему виду похож на гипс. Залегает пластами и прожилками вместе с гипсом и каменной солью. Под действием воды ангидрит постепенно переходит в гипс, при этом объем его увеличивается.

ПОРОДЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Магнезит MgC03 используют дли получения огнеупорных материллов и магнезиального нижущего - каустического магнезите.

Доломит состоит в основном из минерала того же названия СаС03 MgC03. По свойствам доломиты близки к плотным известнякам, а иногда обладают и более высокими качествами. Применяют их в качестве строительного камня и щебня для бетона, а также для получения огнеупорных материалов и вяжущего вещества (каустического доломита). Доломиты широко распространены.

Гипс CaS0 4 *2H 2 Q, состоящий из минерала того же названия, используют главным образом для изготовления гипсовых вяжущих веществ и в качестве добавки при производстве портландцемента.

Ангидрит CaS0 4 , состоящий из минерала того же названия, применяют для получения вяжущих, а также для изготовления плит для внутренней облицовки. Внешне ангидрит заметно не отличается от гипса и залегает обычно вместе с ним.

Известковые туфы образовались в результате выпадения СаС0 3 из холодных и горячих подземных углекислых вод. Очень пористые известковые туфы используют как материал для декоративных построек (гроты и др.) и как сырье для приготовления изверти, а плотные с мелкими равномерно расположенными порами и пределом прочности при сжатии до 800 кГ/см 2 - для наружной облицовки зданий .

БЕТОНЫ. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНЕ

Бетоном называется искусственный камень, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

Зерна песка и щебня составляют каменный остов в бетоне. Цементное тесто, образующееся после затворения бетонной смеси водой, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет вначале роль смазки заполнителей, придающей подвижность (текучесть) бетонной смеси, а впоследствии, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень - бетон. Бетон в сочетании со стальной арматурой называется железобетоном .

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ

Классифицируют бетоны по следующим главнейшим признакам: объемному весу, виду вяжущего вещества, прочности, морозостойкости и назначению.

Основной считается классификация по объемному весу. Бетон делят на особотяжелый объемным весом более 2500 к г/м 3 , тяжелый - объемным весом от 1800 до 2500 кг/м 3 включительно, легкий - объемным весом от 500 до 1800 кг/м 3 включительно, особолегкий - объемным весом менее 500 кг/м 3 .

В зависимости от наибольшей крупности применяемых заполнителей различают бетоны мелкозернистые с заполнителем размером до 10 мм и крупнозернистые с заполнителем наибольшей крупности 10-150 мм.

Важнейшими показателями качества бетона являются его прочность и долговечность. По показателям прочности при сжатии бетоны подразделяются на марки R в кГ/см 2 . Тяжелые бетоны на цементах и обычных плотных заполнителях имеют марки 100-600, особотяжелые бетоны 100-200, легкие бетоны на пористых заполнителях 25-300, ячеистые бетоны 25-200, плотные силикатные бетоны 100-400 и жаростойкие бетоны 100-400.

Долговечность бетонов оценивается степенью морозостойкости. По этому показателю бетоны разделяют на марки морозостойкости Мрз: для тяжелых бетонов Мрз 50-300 и для легких бетонов Мрз 10-200. По виду вяжущего вещества различают бетоны: цементные, изготовленные на гидравлических вяжущих веществах- портландцементах и его разновидностях;

силикатные - на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатными компонентами;

гипсовые - с применением гипсоангидритовых вяжущих; бетоны на органических вяжущих материалах.

Тяжелый бетон изготовляют на цементе и обычных плотных заполнителях, а легкий - на цементе с применением естественных или искусственных пористых заполнителей. Разновидностью легкого бетона является ячеистый бетон, представляющий собой отвердевшую смесь вяжущего вещества, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя. Он отличается высокой пористостью (до 80-90%) при равномерно распределенных мелких порах. Силикатные бетоны получают из смеси извести и кварцевого песка с последующим твердением сформованных изделий в автоклаве при давлении 9-16 атм (изб.) и температуре 174,5-200° С.

По назначению бетон бывает следующих видов:

обычный - для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колонны, балки, плиты);

гидротехнический - для плотин, шлюзов, облицовки каналов и др.;

для зданий и легких перекрытий;

для полов и дорожных покрытий и оснований;

специального назначения: кислотоупорный, жароупорный, особотяжелый для биологической защиты.

Последние изготовляют на цементе со специальными видами заполнителей высокого объемного веса.

Цемент

Для приготовления тяжелых бетонов применяют портландцемент обычный, пластифицированный и гидрофобный, портландцемент с гидравлическими добавками, шлакопортландцемент и др. Характеристика этих цементов и требования, предъявляемые к ним, изложены в четвертой главе.

Вода для затворения

Для затворения бетонных смесей и поливки бетона применяется вода, не содержащая вредных примесей, препятствующих нормальному твердению бетона, - кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара и т. п. Нельзя применять воды болотные и сточные, а также воды, загрязненные вредными примесями, имеющие водородный показатель pH менее 4 и содержащие сульфаты (в расчете на SO3) более 0,27%. Морскую и другие воды, имеющие минеральные соли, можно использовать только, если общее количество солей в них не превышает 2%. Пригодность воды для бетона устанавливается химическим анализом и сравнительными испытаниями прочности бетонных образцов, изготовленных на данной и на чистой питьевой воде и испытанных в возрасте 28 сут. при хранении в нормальных условиях. Вода считается пригодной, если приготовленные на ней образцы имеют прочность, не меньшую, чем образцы на чистой питьевой воде.

Песок

Песком называется рыхлая смесь зерен крупностью от 0,14 до 5 мм, образовавшаяся в результате естественного разрушения массивных горных пород или их дробления (природные пески). Кроме природных песков применяют искусственные, получаемые при дроблении или грануляции металлургических и топливных шлаков или специально приготовленных материалов - керамзита, аглопорита и др. Можно использовать пески фракционированные и нефракционированные.

Крупный заполнитель

В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона применяется гравий или щебень из горных пород, реже шлаковый и кирпичный щебень.

Гравием называется скопление зерен размером 5-70 (150) мм, образовавшихся в результате естественного разрушения горных пород. Зерно гравия имеет окатанную форму и гладкую поверхность. Для -бетона наиболее выгодны зерна малоокатаные щебневидной формы, хуже яйцевидные (окатанные), еще хуже пластинчатые и игловатые зерна, понижающие прочность бетона. Содержание пластинчатых и игловатых зерен в гравии допускается не более 15%, а зерен слабых (пористых) пород - не более 10%. По крупности зерен гравий разделяется на следующие фракции: 5-10, 10-20, 20-40 и 40-70 мм.

Часто гравий залегает вместе с песком. При содержании в гравии 25-40% песка материал называют песчано-гравийной смесью.

Щебень получают путем дробления массивных горных пород, гравия, валунов или искусственных камней на куски размером 5-70 мм. Для приготовления бетона обычно используется щебень, полученный дроблением плотных горных пород, щебень из гравия и щебень из доменных и мартеновских шлаков.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ И БЕТОНА

Тяжелый бетон чаще всего изготовляют на портландцементе, кварцевом песке и гравии или щебне из плотных горных пород. Бетон должен приобрести проектную прочность к определенному сроку и обладать другими качествами, соответствующими назначению изготовляемой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т. д.). Кроме того, требуется определенная степень подвижности бетонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам ее укладки.

Каждый из этих компонентов влияет на вязкопластичные свойства смеси. Так, если увеличить содержание заполнителей, смесь становится более жесткой; если цементного теста - более пластичной и текучей. Существенно влияет на свойства бетонной смеси и вязкость цементного теста. Чем больше в цементном тесте воды, тем пластичнее получается тесто и соответственно пластичнее бетонная смесь.

Одно из основных свойств бетонной смеси - тиксотропия - способность разжижаться при периодически повторяющихся механических воздействиях (например, вибрации) и вновь загустевать при прекращении этого воздействия. Механизм тиксотропного разжижения заключается в том, что при вибрировании силы внутреннего трения и сцепления между частицами уменьшаются и бетонная смесь становится текучей. Это свойство широко используют при укладке и уплотнении бетонной смеси.

Рисунок 9.1. Определение подвижности пластичных бетонных смесей по осадке конуса(ОК):

1-опоры;2-ручки;3-форма-конус;4-бетонная смесь.

Удобоукладываемость - обобщенная техническая характеристика вязкопластичных свойств бетонной смеси. Под удобоукладываемостью понимают способность бетонной смеси под действием определенных приемов и механизмов легко укладываться в форму и уплотняться, не расслаиваясь. Удобоукладываемость смесей в зависимости от их консистенции оценивают по подвижности или жесткости.

Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственного веса. Подвижность характеризуется осадкой стандартного конуса, отформованного из испытуемой бетонной смеси. Для этого металлическую форму-конус, установленную на горизонтальной поверхности, заполняют бетонной смесью в три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием. Избыток смеси срезают, форму-конус снимают и измеряют осадку конуса из бетонной смеси - ОК (рис. 9.1), значение которой (в сантиметрах) служит показателем подвижности.

Жесткость - характеристика удобоукладываемости бетонных смесей, у которых не наблюдается осадки конуса (ОК=0). Ее определяют по времени вибрации (в секундах), необходимому для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса из бетонной смеси с помощью специального прибора (рис. 12.3), который представляет собой металлический цилиндр диаметром 240 мм и высотой 200 мм со штативом и штангой 6 и металлическим диском 4 с шестью отверстиями. Прибор закрепляют на стандартной виброплощадке 1, в него вставляют форму-конус 3. Конус заполняют бетонной смесью в три слоя, штыкуя каждый слой 25 раз. Затем форму-конус снимают и, поворачивая штатив, опускают металлический диск 4 на поверхность бетонной смеси. После этого включают вибратор. Время, в течение которого смесь распределится в цилиндрической форме 2 равномерно и хотя бы через два отверстия диска начнет выделяться цементное молоко, принимается за показатель жесткости смеси (Ж).

Рис. 9.2. Схема определения жесткости (Ж) бетонной смеси:

а - прибор в начальном положении; б - то же, в момент окончания испытаний; 1 - вибро-площадка; 2 - цилиндрическая форма; 3- бетонная смесь; 4 - диск с отверстиями; 5- втулка; б -штанга; 7 - бетонная смесь после вибрирования

В зависимости от удобоукладываемости различают жесткие и подвижные бетонные смеси (табл. 9.1).

Жесткие бетонные смеси содержат небольшое количество воды и соответственно пониженное количество цемента в сравнении с подвижными смесями у бетонов равной прочности. Жесткие смеси требуют интенсивного механического уплотнения: длительного вибрирования, вибротрамбования и т. и. Используют такие смеси при изготовлении сборных железобетонных изделий в заводских условиях (например, на домостроительных комбинатах); в построечных условиях жесткие смеси применяют редко.

Таблица 9.1. Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости

Подвижные смеси отличаются большим расходом воды и соответственно цемента. Эти смеси представляют собой густую массу, которая легко разжижается при вибрировании. Смеси марок ПЗ и П4 текучие; под действием силы тяжести они заполняют форму, не требуя значительных механических усилий. Подвижные смеси можно транспортировать бетононасосами по трубопроводам.

Связность - способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. При механических воздействиях на бетонную смесь в результате ее тиксотропного разжижения часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх. Крупный заполнитель, плотность которого обычно больше плотности растворной части (смеси цемента, песка и воды), опускается вниз (Легкие заполнители (керамзит и др.), наоборот, могут всплывать. Все это делает бетон неоднородным, снижая его прочностные показатели и морозостойкость.

ПРОЧНОСТЬ, МАРКА И КЛАСС БЕТОНА

Тяжелый бетон - основной конструкционный строительный материал, поэтому оценке его прочностных свойств уделяется большое внимание. Прочностные характеристики бетона определяются строго в соответствии с требованиями стандартов. Используется несколько показателей, характеризующих прочность бетона. Неоднородность бетона как материала учитывается в основной прочностной характеристике - классе бетона.

Прочность . Как и у всех каменных материалов, предел прочности бетона при сжатии значительно (в 10...15 раз) выше, чем при растяжении и изгибе. Поэтому в строительных конструкциях бетон, как правило, работает на сжатие. Когда говорят о прочности бетона, подразумевают его прочность на сжатие.

Бетон на портландцементе набирает прочность постепенно. При нормальной температуре и постоянном сохранении влажности рост прочности бетона продолжается длительное время, но скорость набора прочности со временем затухает.

Прочность бетона принято оценивать по среднему арифметическому значению результатов испытания образцов данного бетона через 28 сут нормального твердения. Для этого используют образцы-кубы размером 150 х 150 х 150 мм, изготовленные из рабочей бетонной смеси и твердевшие при (20 ± 2)° С на воздухе при относительной влажности 95 % (или в иных условиях, обеспечивающих сохранение влаги в бетоне). Методы определения прочности бетона регламентированы стандартом.

Марка бетона. По среднему арифметическому значению прочности бетона устанавливают его марку - округленное значение прочности (причем округление идет всегда в нижнюю сторону). Для тяжелого бетона установлены следующие марки по прочности на сжатие: 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800 кгс/см2. При обозначении марки используют индекс «М»; так, например, марка бетона М350 означает, что его средняя прочность не менее 35 МПа (но не более 40).

Отличительная особенность бетона - значительная неоднородность его свойств .

Это объясняется изменчивостью в качестве сырья (песка, крупного заполнителя и даже цемента), нарушением режима приготовления бетонной смеси, ее транспортировки, укладки

(степени уплотнения) и условии твердения. Все это приводит к разбросу прочности бетона одной и той же марки. Чем выше культура производства (лучше качество подготовки материалов, приготовления и укладки бетона и т. п.), тем меньше будут возможные колебания прочности бетона. Для строителя важно получить бетон не только с заданной средней прочностью, но и с минимальными отклонениями (особенно в низшую сторону) от этой прочности. Показателем, который учитывает возможные колебания качества бетона, является класс бетона.

Класс бетона - это численная характеристика какого-либо его свойства (в том числе и прочности), принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленное классом свойство, например прочность бетона, достигается не менее чем в 95 случаях из 100.

Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность бетона с учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше изменчивость прочности, тем выше класс бетона при одной и той же средней прочности.

ГОСТ 26633-85 устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие (МПа): 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 32,5; 40; 45; 50; 55 и 60. Класс по прочности на сжатие обозначают латинской буквой В, справа от которой приписывают его гарантированную прочность в МПа. Так, у бетона класса В15 предел прочности при сжатии не ниже 15 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95.

Соотношение между классами и марками бетона неоднозначно и зависит от однородности бетона, оцениваемой с помощью коэффициента вариации. Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон. Класс бетона одной и той же марки заметно увеличивается при снижении коэффициента вариации. Так, при марке бетона M300 и коэффициенте вариации 18 % класс бетона будет В15, а при коэффициенте вариации 5 % - В20, т. е. на целую ступень выше. Это показывает, как важно тщательное выполнение всех технологических операций и повышение культуры производства. Только в этом случае достигается высокая однородность бетона и более высокий класс его прочности при неизменном расходе цемента.

Строительными нормами принят нормативный коэффициент вариации прочности бетона, равный 13,5 % и характеризующий технологию бетонных работ как удовлетворительную.

Соотношение между классами бетона по прочности на сжатие и его марками при нормативном коэффициенте вариации, равном 13,5 %, приведено в табл. 9.2.

Таблица 9:2. Соотношение между марками и классами тяжелого бетона по прочности при коэффициенте вариации 13,5 %

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

К основным свойствам тяжелого бетона, кроме прочности, относят: пористость, деформативность (модуль упругости, ползучесть, усадку), водопроницаемость, морозостойкость, теплофизические свойства и др.

Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-вязко-пластичное тело (рис. 9.3). При небольших напряжениях (не более 0,2 от предела прочности) бетон деформируется, как упругий материал. При этом его начальный модуль упругости зависит от пористости и прочности и составляет для тяжелых бетонов (2,2...3,5) 10 4 МПа (у сильнопористых ячеистых бетонов модуль упругости около 10 4 МПа).

Рис.9.3. Кривая деформирования Рис. 9.4. Развитие деформаций бетона

в координатах σ - ε во времени: ε нач -начальная деформация бетона

в момент нагружения; ε п - деф. ползучести

При больших напряжениях проявляется пластическая (остаточная) деформация, развивающаяся в результате роста микротрещин и пластических деформаций гелевой составляющей цементного камня.

Ползучесть - склонность бетона к росту пластических деформаций при длительном действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микро- трещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер (рис.9.4). Абсолютные значения ползучести зависят от многих факторов. Особенно активно ползучесть развивается, если бетон нагружается в раннем возрасте. Ползучесть можно оценивать двояко: как положительный процесс, помогающий снижать напряжения, возникающие от термических и усадочных процессов, и как отрицательное явление, например, снижающее эффект от предварительного напряжения арматуры.

Усадка - процесс сокращения размеров бетонных элементов при их нахождении в воздушно-сухих условиях. Основная причина усадки - сжатие гелевой составляющей при потере воды.

Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетоне (рис. 9.5). В среднем усадка тяжелого бетона составляет 0,3...0,4 мм/м.

Рис. 9.5. Кривые усадки при твердении на воздухе:1-цементногокамня,2-раствора,3-бетона

Вследствие усадки бетона в бетонных и железобетонных конструкциях могут возникнуть большие усадочные напряжения, поэтому элементы большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. При усадке бетона 0,3 мм/м в конструкции длиной 30 м общая усадка составит 10 мм. Усадочные трещины в бетоне на контакте с заполнителем и в самом цементном камне могут снизить морозостойкость и послужить очагами коррозии бетона.

Пористость . Как это ни покажется странным, такой плотный на вид материал имеет заметную пористость. Причина ее возникновения, как, это уже не раз говорилось, кроется в избыточном количестве воды затворения. Бетонная смесь после правильной укладки представляет собой плотное тело. При твердении часть воды химически связывается минералами цементного клинкера (для портландцемента около 0,2 от массы цемента), а оставшаяся часть постепенно испаряется, оставляя после себя поры. В этом случае пористость бетона можно определить по формуле

П = [(В - ώ Ц)/1000] 100,

где В и Ц - расходы воды и цемента на 1 м 3 , ώ-количество химически связанной воды в долях от массы цемента.

Так, в возрасте 28 сут цемент связывает 17 % воды от своей массы; расход воды в этом бетоне - 180 кг, а цемента - 320 кг. Тогда пористость этого бетона будет:

П = [(180 - 0,17- 320)/1000] 100 = 12,6%.

Это общая пористость, включающая микропоры геля и капиллярные поры (объем вовлеченного воздуха мы не рассматриваем). С точки зрения влияния на проницаемость и морозостойкость бетона важно количество капиллярных пор. Относительный объем таких пор можно вычислить по формуле, %:

П к = [(В -2 ώ Ц)/1000]100

Для нашего случая количество капиллярных пор будет - 7,3 %.

Водопоглощение и проницаемость . Благодаря капиллярно-пористому строению бетон может поглощать влагу как при контакте с ней, так и непосредственно из воздуха. Гигроскопическое влагопоглощение у тяжелого бетона незначительно, но у легких бетонов (а в особенности у ячеистых) может достигать соответственно 7...8 и 20...25 %. "

Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельно-жидком состоянии; оно зависит, главным образом, от характера пор. Водопоглощение тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максимальное водопоглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях достигает 4...8 % по массе (10...20 % по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.

Большое водопоглощение отрицательно сказывается на морозостойкости бетона. Для уменьшения водопоглощения прибегают к гидрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоляции конструкций.

Водопроницаемость бетона определяется в основном проницаемостью цементного камня и контактной зоны «цементный камень - заполнитель»; кроме того, путями фильтрации жидкости через бетон могут быть микротрещины в цементном камне и дефекты сцепления арматуры с бетоном. Высокая водопроницаемость бетона может привести его к быстрому разрушению из-за коррозии цементного камня.

Для снижения водопроницаемости необходимо применять заполнители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также использовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлорное железо) или расширяющиеся цементы. Последние используются для устройства бетонной гидроизоляции.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W2; W4; W6; W8 и W12. Марка обозначает давление воды (кгс/см2), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость - главный показатель, определяющий долговечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус, (18 ± 2)° С и оттаивания в воде при (18 ± 2)° С предварительно насыщенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность одного цикла - 5... 10 ч в зависимости от размера образцов.

За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания - оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5 % по сравнению с прочностью контрольных образцов в начале испытаний. Установлены следующие марки бетона по морозостойкости: F25, F35, F50, F75,F100…1000. Стандартом предусмотрены и ускоренные методы испытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50 ± 5)° С.

Причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях является капиллярная пористость (рис. 12.16). Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Так, бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, в соответствии с рис. 12.16 должен иметь морозостойкость F150...F200.

Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо добиваться минимальной капиллярной пористости (не выше6 %). Это возможно путем снижения содержания воды в бетонной смеси, что, в свою очередь, возможно путем использования:

Жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемым при укладке;

Пластифицирующих добавок, повышающих удобоукладываемость бетонных смесей без добавления воды.

Теплофизические свойства.

Из них важнейшими являются теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации.

Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика - около 1,2-1,5 Вт/(м К), т. е. в 1,5...2 раза выше, чем у кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Легкие бетоны (см. § 12.7), в особенности ячеистые, имеют невысокую теплопроводность 0,1...0,5 Вт/(м К), и их применение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.

Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах 0,75...0,92 Дж/(кг К); в среднем - 0,84 Дж/(кг К).

Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения тяжелого бетона (10...12) Ю ДС1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50° С расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня.

ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ

Существенный недостаток обычно тяжелого бетона - большая плотность (2400...2500 кг/м3). Снижая плотность бетона, строители достигают как минимум двух положительных результатов: снижается масса строительных конструкций; повышаются их теплоизоляционные свойства.

Легкие бетоны (в начале XX в. их называли «теплые бетоны») - бетоны с плотностью менее 1800 кг/м3 - универсальный материал для ограждающих и несущих конструкций жилых и промышленных зданий. Из них изготовляют большинство стеновых панелей и блоков, плит кровельных покрытий и камней для укладки стен. Термин «легкие бетоны» объединяет большую группу различных по составу, структуре и свойствам бетонов.

По назначению легкие бетоны подразделяют на:

конструктивные (класс прочности - В7,5...В35; плотность -.1800 кг/м3);

конструктивно-теплоизоляционные (класс прочности не менее ВЗ,0, плотность -600...1400 кг/м3);

теплоизоляционные - особо легкие (плотность < 600 кг/м3).

По строению и способу получения пористой структуры легкие бетоны подразделяют на следующие виды:

бетоны слитного строения на пористых заполнителях;

ячеистые бетоны, в составе которых нет ни крупного, ни мелкого заполнителя, а их роль выполняют мелкие сферические поры (ячейки);

крупнопористые, в которых отсутствует мелкий заполнитель, в результате чего между частицами крупного заполнителя образуются пустоты.

Для легких бетонов установлены следующие классы по прочности (МПа) от В2 до В40. Прочность легких бетонов зависит от качества заполнителей, марки и количества использованного цемента. При этом, естественно, изменяется и плотность бетона.

Для легкого бетона установлены 19 марок по плотности (кг/м3) от D200 до D2000 (с интервалом 100 кг/м3). Пониженная плотность легких бетонов может быть достигнута поризацией цементного камня.

Теплопроводность легкого бетона зависит от его плотности и влажности (табл.9.3). Увеличение объемной влажности на 1 % повышает теплопроводность бетона на 0,015...0,035 Вт/(м К).

Таблица 9.3. Средние значения теплопроводности легких бетонов

Морозостойкость легких бетонов при их пористо

В 1880 г. Немецкий ученый В. Михаэлис изобрел метод, который был использован для производства силикатного (известково-песчаного) кирпича. К началу двадцатого века в России было уже пять заводов, выпускающих силикатный кирпич.

До 50-х годов единственным видом силикатных автоклавных изделий были силикатный кирпич и небольшие камни из ячеистого силикатного бетона. Однако благодаря работам российских ученых впервые в мире было создано производство крупноразмерных силикатобетонных автоклавных изделий для сборного строительства. В настоящие время почти все элементы зданий и сооружений (панели, плиты перекрытий, элементы лестниц и др.) могут быть изготовлены из армированного силикатного бетона, который по своим свойствам почти не уступает железобетонным, а благодаря применению местных сырьевых материалов и промышленных отходов обходится на 15…20% дешевле, чем аналогичные железобетонные элементы на портландцементе.

Сырье для силикатных материалов и изделий

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 и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким измельчение песка, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси. В качестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п.

Для современного производства силикатного кирпича используют сырьевую смесь, в состав которой входит 90…95% песка, 5…10% молотой негашеной извести и некоторое количество воды.

3. Общая технология получения силикатных материалов

Технология получения силикатных изделий обычно складывается из следующих этапов:
1. Получение сырьевой смеси.
2. Прессование изделий.
3. Обработка в автоклаве изделий.
4. Выдержка готовых изделий.

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°С. Для гидротермального синтеза можно использовать при надлежащем обосновании иные параметры автоклавизации, применять обработку не только паром, но и паровоздушной или парогазовой смесью, водой.

В данном производстве большой объем работ составляет процесс получения извести для сырьевой смеси. В технологический процесс производства извести входят следующие операции: добыча известкового камня в карьерах, дробление и сортировка его по фракциям, обжиг в шахтных вращающихся и других печах, дробление или помол комовой извести (получение негашеной извести).
Получение сырьевой смеси осуществляется двумя способами: барабанным и силосным, которые отличаются друг от друга приготовлением известково-песчаной смеси.

Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. В автоклаве в атмосфере насыщенного пара при давлении 0,8-1,3 МПа и температуре 175-200°С кирпич твердеет 8…14ч.

Прочность автоклавных материалов формируется в результате взаимодействия двух процессов: структурообразования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция, и деструкции, обусловленной внутренними напряжениями.

Для снижения внутренних напряжений автоклавную обработку проводят по определенному режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175-200°С 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.

Из автоклава выгружают почти готовые изделия, которые выдерживают 10…15дней для карбонизации непрореагировавшей извести с углекислым газом воздуха, в результате чего повышается водостойкость и прочность изделий. Температура обработки и общие энергозатраты при производстве силикатного кирпича существенно ниже, чем при производстве керамического, поэтому силикатный кирпич экономически эффективнее.

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 назначение, что обусловливает форму и размеры изделий, их качественные показатели.

Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения представляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистого (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. В качестве 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.

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 CaOiSiCh 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 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. В связи с этим было принято выделить три этапа в автоклавной обработке: наполнение автоклава и изделий паром до заданного максимального давления; спуск пара; извлечение изделий из автоклава.

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.

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-кремнеземистое 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 гелеобразных 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 и C2SH2, а после полного связывания извести и в процессе перекристаллизации возникают более устойчивые микрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH и C5S6H5 (то берморит). Кристаллизация происходит вокруг зерен кварца и в межзерновом пространстве; сопровождается срастанием кристаллических новообразований в каркас с дальнейшим его упрочнением и обрастанием.

Полный цикл автоклавной обработки, по данным П.И. Боженова, 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.

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 и тоберморит C5S6H В высокоизвестковых смесях в результате синтеза образуется гиллебрандит 2СаО Si02 Н20 (т. е. C2SH).

Согласно другой теории, образование микроструктуры вяжущего происходит не через растворение извести и кремнезема, а в твердой фазе под влиянием процесса самодиффузии молекул в условиях 1 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.

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

Оптимальная структура силикатного материала формируется при определенном количестве известковр-кремнеземи-стого цемента и минимальном соотношении его фазовых составляющих. В свежеизготовленном конгломерате дисперсионной средой (с) служит известковое тесто (Ит), а в качестве твердой дисперсной фазы (ф) выступает молотый кремнеземистый (песчаный) компонент (Пм). Активность (прочность) известково-кремне-земистого вяжущего вещества оптимальной структуры после автоклавной обработки, как и другие свойства силикатного материала, зависит от величины соотношения Ит: Пм (по массе).

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 промышленности. Минералы малокварцевого сырья, растворившись в условиях авто-клавирования, 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 слабозакристаллизован-ных гидросиликатов кальция, а в присутствии ионов алюминия - из высокоосновных гидросиликатов кальция.

Классификация и виды силикатных материалов

Силикатные материалы относятся к группе искусственных каменных материалов на основе вяжущих веществ.

Общие сведения искусственных каменных материалов на основе вяжущих веществ

Признаки классификации, по которым различают вяжущие материалы:

1.В зависимости от вида вяжущего различают изделия на основе: цемента, извести, гипса и др.
2. В зависимости от способа производства определяют условия твердения таких материалов: естественное твердение, пропаривание, автоклавная обработка.

В качестве заполнителей для получения искусственных каменных изделий используют разнообразные материалы: песок, керамзит, и другие пористые заполнители, опилки и стружки и специфический армирующий заполнитель-асбест.

К основным искусственным каменным материалам и изделиям относятся:
1. Силикатный кирпич
2. Силикатобетонные изделия:
2.1. Тяжелые силикатобетонные изделия аналогичные обычному бетону
2.2. Легкие силикатобетонные изделия на основе пористых заполнителей или Ячеистые (пенно- и газосиликаты)
3. Гипсовые и гипсобетонные изделия
4. Стеновые камни из легкого и ячеистого бетона
5. Арболит
6. Цементно-стружечные плиты и асбестоцементные изделия

В отличие от керамики, материалы на минеральных вяжущих получаются за счет естественного твердения или термообработки при температурах до 200 °С. Таким образом, энергозатраты на производство изделий на минеральных вяжущих, даже с учетом энергозатрат на получение самого вяжущего, меньше, чем для получения керамики. Однако керамические материалы более долговечны и стойки к действию воды, агрессивных растворов и высоких температур.

Виды пустотелых изделий из силикатных материалов по ГОСТ 379-95 Кирпич и камни силикатные

Рисунок А1 - Камень (кирпич) 14-пустотный (диаметр отверстий 30 - 32 мм, пустотность 28 – 31 %)

Рисунок А2 - Камень (кирпич) 11-пустотный (диаметр отверстий 27 - 32 мм, пустотность 22 – 25 %)

Рисунок А3 - Кирпич 3-пустотный (диаметр отверстий 52 мм, пустотностъ 15 %)

ПЕРЕЧЕНЬ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
СИЛИКАТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ. Асбестоцементные ИЗДЕЛИЯ

Минеральные вяжущие еще не готовые строительные материалы. Основное свойство вяжущих, способность твердить после перемешивания с определенным количеством воды.

Реакция происходящие при твердении вяжущих главным образом реакции гидратации, присоединения части воды.

Наряду с цементами для изготовления растворов используют известь : воздушную и гидравлическую в виде гидратной пушонки, известкового теста или молока, а также в виде негашеной молотой извести. Известковое тесто должно иметь плотность не менее 1200 кг/м 3 и содержать извести не менее 30 % по массе. Известь для штукатурных и облицовочных растворов не должна содержать непогасившиеся частицы, которые могут вызвать отколы (дутики) в затвердевшем слое. Поэтому свежегашеную известь пропускают через сито с ячейками 0,315 – 0,25 мм.

Строительная воздушная известь CaO – продукт умеренного обжига при 900-1300°С природных карбонатных пород CaCO 3 , содержащих до 8% глинистых примесей (известняк, доломит, мел). Обжиг осуществляют в шахтах и вращающихся печах. Наиболее широкое распространение получили шахтные печи. При обжиге известняка в шахтной печи движущийся в шахте сверху вниз материал проходит последовательно три зоны: зону подогрева (сушка сырья и выделение летучих веществ), зону обжига (разложение веществ) и зону охлаждения. В зоне подогрева известняк нагревается до 900°С за счёт тепла поступающего из зоны обжига от газообразных продуктов горения. В зоне обжига происходит горение топлива и разложение известняка CaCO 3 на известь CaO и двуокись углерода CO 2 при 1000-1200°С. В зоне охлаждения обожжённый известняк охлаждается до 80-100°С двигающимся снизу вверх холодным воздухом.

В результате обжига полностью теряется двуокись углерода и получается комовая, негашёная известь в виде кусков белого или серого цвета. Комовая негашёная известь является продуктом, из которого получают разные виды строительной воздушной извести: молотую порошкообразную негашёную известь, известковое тесто.

Строительную воздушную известь различного вида используют при приготовлении кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок (работающих в воздушно-сухих условиях), изготовлении плотных силикатных изделий (кирпича, крупных блоков, панелей), получении смешанных цементов Добавление в цементный раствор извести увеличивает пластичность, прочность и время охватывания.

Процесс твердения воздушной извести происходит в большей мере в результате карбонизации под воздействие углекислого газа воздуха. При твердении воздушной извести, образуются соединения, которые растворимы в воде.

Гидравлическую известь получают умеренным обжигом природных мергелей и мергелистых известняков при 900-1100°С. Мергель и мергелистый известняк идущие для производства гидравлической извести содержат от 6 до 25% глинистых и песчаных примесей. Её гидравлические свойства характеризуются гидравлическим (или основным) модулем (m ), представляющим отношение в процентах содержания окислов кальция к содержанию суммы окислов кремния, алюминия и железа. Гидравлическая известь – медленно схватывающееся и медленнотвердеющее вещество. Её применяют для приготовления строительных растворов, низкомарочных бетонов, легких бетонов, при получении смешанных бетонов.

Гидравлическая известь обеспечивает твердение и сохранение прочности, как на воздухе, так и в воде. В чистом виде гидравлическая известь не применяется, а используется в смеси. Сырье для получения гидравлической извести по цвету темнее воздушной, так как имеет в качестве примеси глину.

Силикатный кирпич. Известково-песчаные растворы на основе воздушной извести являются малопрочными мед­ленно твердеющими и неводостойкими материалами.

Первым, кто получил достаточно водостойкий и прочный мате­риал на основе извести и песка, был немецкий ученый В. Михаэлис, который в 1880 г. предложил обрабатывать известково-песчаную смесь в атмосфере насыщенного пара при температуре 150...200°С.

Открытие Михаэлиса было использовано для производства, так называемого силикатного (известково-песчаного) кирпича. Современное производство силикатного кирпича заключается в следующем. Сырьевую смесь, в состав которой входит 90...92 % чистого кварцевогопес­ка, 8... 10 % молотой негашеной воздушной извести и некоторое количество воды, тщательно перемешивают и выдерживают до полного гашения извести. Затем из этой смеси под большим давлением (15...20 МПа) прессуют кирпич, который укладывают на вагонетки и направляют для твердения в автоклавы - толстостенные стальные ци­линдры диаметром до 2 м и длиной до 20 м с герметически закрываю­щимися крышками. В автоклаве в атмосфере насыщенного пара при давлении 0,8 МПа и температуре 180 °С кирпич твердеет 8... 14 ч. Из автоклава выгружают почти готовый кирпич, который выдерживают 10...15 дней в результате чего повышаются водостойкость и прочность кирпича.

Широко применяется воздушная известь, в изготовление автоклавных плотных ячеистых материалов при давлении 0,8-1,6 МПа и Т=200° изделий в виде панелей, блоков, элементов перекрытий, лестных маршей.

Температура обработки и общие энергозатраты при произ­водстве силикатного кирпича существенно ниже, чем при про­изводстве керамического, поэтому силикатный кирпич эконо­мически эффективнее, чем керамический.

Плотность обыкновенного силикатного кирпича несколько вы­ше, чем полнотелого керамического. Снижение плотности кирпича и камней достигается формованием в них пустот или введением в сырь­евую массу пористых заполнителей.

Силикатный кирпич, так же как и керамический, в зависимости от размеров может быть:

одинарный (полнотелый или с пористыми заполнителями) 250х120 х 65 мм;

утолщенный (пустотелый или с пористыми заполнителями) 250х120х88 мм (масса утолщенного кирпича не должна быть более 4,3 кг);

силикатный камень (пустотелый) 250х120х138 мм. Технология производства силикатного кирпича обеспечивает большую точность размеров.

Цвет кирпича - от молочно-белого до светло-серого. Выпускают лицевой кирпич с повышенными физико-механическими свойствами.Он может быть цветным с окрашенными в массе или по лицевым граням щелочестойкими пигментами в голубой, зеленова­тый, желтый и другие светлые тона.

В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе сили­катный кирпич и камни подразделяют на восемь марок: 300; 250; 200; 175; 150; 125; 100 и 75, имеющих средние значения прочности при сжатии соответственно не менее 30...7,5 МПа. Водопоглощение си­ликатного кирпича не менее 6 %. Марки по морозостойкости у кир­пича и камней - F50; 35; 25 и 15; для лицевых изделий морозостой­кость должна быть не ниже 25.

Существенным недостатком силикатного кирпича по сравнению с керамическим, является пониженная водостойкость и жаростой­кость.

Силикатный кирпич применяют для кладки наружных и внутренних стен надземных частей зданий и сооружений. Ис­пользовать его в конструкциях, подвергающихся воздействию воды (фундаменты, цоколь, канализационные колодцы и т. п.) и высоких температур (печи, дымовые трубы и т. п.), запрещается.

В настоящее вре­мя производятся крупноразмерные силикатобетонные автоклавные изделия почти всех элементов зданий и сооружений для сборного строительства (панели, плиты пере­крытий, элементы лестниц и др.) Из армированного силикатного бетона изготавливают конструкции не уступающие железобетонным.

Силикатобетонные изделия бывают тяжелые (аналогичные обыч­ному бетону) и легкие (на основе пористых заполнителей) или ячеи­стые (пено- и газосиликаты). Это безобжиговый кирпич изготавливают методом сухово прессования смеси - воздушная известь(5-10%) и кварцевого песка(90-95%) при влажности 6-7%. Для повышения прочности применяют известково- кремнеземистые смеси. Марки кирпича М- 75, 100, 125,150,200,250.

Размеры 65х120х250 - одинарный и полуторный или модульный 88х120х250 пустотелый весом не более 4,3 кг. Средняя плотность 1700-2000кг/м3. морозостойкости Мрз-15, 25 и 50. силикатный кирпич не водостоек, и нестойкий к воздействию агрессивных вод, не огнестоек. Нельзя применять для кладки печей и труб. Изготавливают в автоклавах при температуре 170°С и давлении 4-6 атм.

На основе извести готовят известково-песчанные, известково - глинянные и известковое - зольные материалы. Такие изделия называют: безцементные или на основе силикатного бетона. Известь применяют в чистом виде или в смеси с мелом для побелок.

На долю силикатного кирпича приходится значительная часть всего объема стеновых материалов. Приведенные затраты на возведение стен из силикатного кирпича составляют примерно 84% по сравнению с необходимыми затратами при использовании керамического кирпича. Расход условного топлива и электроэнергии на производство силикатного кирпича в 2 раза ниже, чем керамического. На получение 1 тыс. шт. силикатного кирпича расходуется в среднем 4,9 ГДж тепла, половина которого составляет тепло на обжиг извести, а другая - на автоклавную обработку и другие технологические операции.

В производстве этого материала золы и шлаки ТЭС используются как компонент вяжущего или заполнителя. В первом случае расход золы достигает 500 кг на 1 тыс. шт. кирпича, во втором -1,5-3,5 т. Оптимальное соотношение извести и золы в составе вяжущего зависит от активности золы, содержания в извести активного оксида кальция, крупности и гранулометрического состава песка и других технологических факторов. При введении угольной золы расход извести снижается на 10-50%, а сланцевые золы с содержанием (CaO + MgO) до 40-50% могут полностью заменить известь в силикатной массе. Зола в известково-зольном вяжущем является не только активной кремнеземистой добавкой, но также способствует пластификации смеси и повышению в 1,3-1,5 раза прочности сырца, что особенно важно для обеспечения нормальной работы автоматов-укладчиков.

Кроме известково-песчаного силикатного кирпича выпускают известково-шлаковый иизвестково-зольный, в которых вместо песка частично или полностью используют промышленные отходы: шла­ки и золы теплоэлектростанций. Свойства этих видов кирпича аналогичны свойствам известко­во-песчаного.

Известково-кремнеземистое вяжущее в производстве силикатного кирпича получают совместным помолом комовой негашеной извести с золой и кварцевым песком. Суммарное содержание активных СаО и MgO в вяжущем – 30-40%, удельная поверхность- 4000-5000 см2/г, остаток на сите № 02 - не более 2%. Оптимальное содержание золы и шлака в силикатной смеси зависит от зернового состава и способа формования, возрастая с модулем крупности и циклом прессования.

Силикатный кирпич с добавками зол и топливных шлаков твердеет в автоклавах при давлении насыщенного пара 0,8-1,6 МПа. Рекомендуемая выдержка -4-8 ч. Получаемый материал по водо- и морозостойкости превосходит обычный силикатный кирпич, имеет меньшие значения водопоглощения и водопроницаемости, лучший товарный вид. Преимуществом кирпича из золосиликатной смеси оптимального состава является более низкая, чем у обычного, средняя плотность A=700-1800 кг/м3 против 1900-2000 кг/м3).

Используя золы ТЭС, получен пористый силикатный кирпич с такими свойствами: плотностью 1250-1400 кг/м3; прочностью 10-17,5 МПа, пористостью 27-28%, морозостойкостью 15-35 циклов.

Применение его позволяет уменьшить толщину наружных стен на 20, а массу -на 40% и существенно сократить расход тепла на отопление зданий.

Поэтому, строительные материалы на основе гипса, воздушной извести, требуются защищать от действия влаги, эксплуатировать в сухой среде или добавлять компоненты для повышения водостойкости.

Водопотребление минеральных вяжущих влияет на свойства получаемых материалов. Водопотребность определяется количеством воды необходимой для получения удобоукладываемой смеси. Если воды будет не достаточно, то смесь будет рыхлой, избыток приведет к растеканию массы. Значительное увеличении воды сказывается на свойствах искусственного камня – может вызвать образования крупных пор, сильную усадку, снижает прочность.