11.06.2008 00:24:20
Рассматриваются свойства, области применения и технология производства силикатного бетона.
В настоящее время, в России, в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жильё — гражданам России», особую актуальность приобрело направление развития производства недорогих качественных изделий из силикатного бетона автоклавного и неавтоклавного твердения [1–14]. На ряде карьеров техногенное песчано-глинистое сырьё является компонентом вскрышных пород. Именно песчано-глинистая порода с высокой реакционной способностью успешно используется для получения автоклавного силикатного бетона. При автоклавной обработке такого материала по ускоренному режиму твердения образуются крупнокристаллические фазы различного состава. Они играют роль микронаполнителя в гелевидной фазе низкоосновных гидросиликатов, образующихся при взаимодействии извести и породообразующих минералов песчано-глинистых пород. [3–5].
Технологии получения силикатных бетонов являются одним из ведущих направлений развития техники, включённых в «Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня» и отвечают «Основным направлениям Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу», утвержденным президентом РФ в феврале 2002 г.
На постсоветском пространстве наиболее активно работают [8, 9, 11, 12, 14] над совершенствованием технологии силикатных бетонов в Белоруссии и Украине. Дефицит цемента наиболее сильно изменил ход развития данного направления научно-практических работ в этих странах.
Вяжущим в силикатном бетоне является известково-кремнезёмистое вяжущее или известково-песчано-глинистое вяжущее, способное, после затворения водой, в процессе запаривания в автоклаве образовывать высокопрочный искусственный камень.
Тонкомолотый песок, кремнезёмистый компонент, в составе вяжущего оказывает большое влияние на формирование структуры силикатного бетона.
Эксплуатационные свойства (прочность, морозостойкость и др.) силикатных изделий возрастают с увеличением дисперсности частиц молотого песка. В качестве кремнезёмистого компонента применяют природные или искусственные пуццоланы, такие, как молотый кварцевый песок, трепел, металлургические доменные шлаки, золы ТЭЦ. Чем выше тонкость помола песка, тем выше относительное содержание CaO в рабочей смеси силикатного бетона. Эта закономерность в соотношении извести и песка (пуццоланы) поддерживается до того соотношения, при котором вся известь может вступить в реакцию с кремнезёмистым компонентом при автоклавной обработке в заданном режиме. В результате реакции образуются низкоосновные гидросиликаты кальция, имеющие тонкоигольчатое или чешуйчатое микрокристаллическое строение типа CSH(B), и тоберморит. Однако, наряду с низкоосновными, могут образовываться и более крупнокристаллические высокоосновные гидросиликаты кальция типа C2SH(A). Реакция идёт только при повышенных температуре и давлении.
Для силикатных изделий с прочностью до 10–15 МПа можно применять песок в немолотом виде в смеси с известью 6–10 % в расчете на активную CaO.
Изделия из молотой негашёной извести можно получить с повышенной прочностью и морозостойкостью. Для этой цели регулируют сроки гидратации извести путём введения гипса, поверхностно-активных веществ и т. д. Молотую негашёную известь целесообразно применять для изделий, изготовленных из пластичной бетонной смеси. В таких свежеотформованных изделиях гашение молотой извести не вызывает образования трещин, а увеличение объёма способствует большому уплотнению изделия. Кроме того, при последующей гидратации негашёной извести гидрат оксида кальция, возникающий в уже отформованных изделиях, более активно взаимодействует с кремнезёмом, чем ранее образовавшийся в гашёной извести гидрат оксида кальция.
В сильно уплотнённых прессованием изделиях из жёстких смесей гашение молотой негашёной извести может повлечь образование трещин. С увеличением степени уплотнения изделий из известково-кремнезёмистой смеси целесообразно проводить частичное гашение извести путём её совместного помола с влажным песком или предварительное выдерживание, как, например, при производстве силикатного кирпича.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения модифицированных силикатных материалов безавтоклавного твердения [11] с повышенными тепло- и гидроизоляционными свойствами способом модификации структуры за счёт механической активации известково-цементно-кремнезёмистой смеси за счёт аморфизации поверхности кристаллического кварца (удельная поверхность выше 4000 см2/г), а также химической активации за счёт введения минеральной добавки трепела. Оптимизированы режимы твердения изделий с заданным комплексом эксплуатационных свойств.
Новым, патентно-лицензионным направлением работ является получение силикатных бетонов и штукатурных составов из механоактивированной извести [7].
Гашение кальциевой, магнезиальной или доломитовой извести осуществляется в процессе дробления, измельчения и механоактивации (комовая известь — известь-кипелка — специальная гидратная известь с остатком <=2,5 на сите 0,045). Для облегчения процесса гашения извести способом механоактивации в непрерывном потоке её можно смешать с кварцевым белым песком.
В процессе активации извести тонкого помола в виброцентробежных мельницах на образование новой поверхности расходуется только часть всей подведенной энергии, остальная часть энергии аккумулируется в виде напряжённых структурных дефектов извести. Эта накопленная энергия впоследствии оказывает значительное влияние на скорость протекания различных технологических процессов и образование гидросиликатов кальция повышенной основности, а также на основные физико-механические свойства силикатных изделий. Применение механоактивированной извести в сочетании с активными минеральными добавками стало новым этапом развития производства изделий (безавтоклавного твердения или при снижении затрат на их запаривание в автоклаве) из силикатного бетона повышенного качества.
Технология изготовления силикатобетонных изделий состоит из следующих основных операций: добыча песка и отделение крупных фракций; добыча и обжиг известняка (если известь производят на силикатном заводе); дробление извести; приготовление известково-песчаного вяжущего путём дозирования извести, песка и гипса и помол их в шаровых мельницах; приготовление силикатобетонной смеси путём смешения немолотого песка с тонкомолотой известково-песчаной смесью и водой в бетоносмесителях с принудительным перемешиванием; формования изделий и их выдерживания; твердения отформованных изделий в автоклавах при температуре 174–200 °C и давлении насыщенного пара до 0,8–1,5 МПа. Для получения плотных силикатных изделий применяют известь с удельной поверхностью 4000–5000 см2/г, а песок — 2000–2500 см2/г и до 4000 см2/г.
Весь цикл автоклавной обработки условно делится на пять этапов: (1) от начала впуска пара до установления в автоклаве температуры 100 °С, (2) повышение температуры среды и давления пара до назначенного минимума (первый и второй этапы в сумме — 2–6 ч), (3) изотермическая выдержка при максимальном давлении 9–13 кгс/см2 и температуре 175–190 °С (4–8 ч), (4) снижение давления до атмосферного, а температуры — до 100 °С (2–3 ч), (5) период постепенного остывания изделий со 100° до 18–20 °С либо в автоклаве, либо после выгрузки их из автоклава.
Качество силикатных изделий автоклавного твердения зависит не только от состава и структуры новообразований, но и от правильного управления физическими явлениями, возникающими на различных этапах автоклавной обработки. При автоклавной обработке кроме физико-химических процессов, обеспечивающих синтез гидросиликатов кальция, имеют место физические процессы, связанные с температурными и влажностными процессами, определяемыми термодинамическими свойствами водяного пара и изменениями физических характеристик в сырьевой смеси, а затем и в образовавшемся искусственном силикатном камне.
Сырьём для получения силикатных бетонов служит известь.
Известь строительная воздушная комовая. Известь строительная быстрогасящаяся имеет широкое применение для изготовления известково-песчаного вяжущего, которое используется для производства строительных материалов, таких как: кирпич силикатный, изделия из ячеистого силикатобетона, штукатурные растворы и бетоны.
Известь комовая пользуется широким спросом на предприятиях строительной индустрии, соответствует требованиям ГОСТ 9179-77. Содержание активных CaO + MgO — 70–79 % (3 сорт). Содержание активной MgO — до 2%. Время гашения — до 8 мин.
Известь строительная молотая, ГОСТ 9179-77. Высокое качество извести обеспечивается стабильной технологией и качественным исходным сырьём.
Известь строительная молотая широко применяется для получения вяжущих материалов, используется для производства силикатных изделий из ячеистого и плотного силикатобетона, штукатурных и кладочных растворов и бетонов.
Содержание активных CaO + MgO — не менее 55 % (2 сорт). Содержание активной MgO — до 2 %.
В мешках: содержание активных CaO + MgO — не менее 40 %; содержание активной MgO — до 2 %; степень гидратации — 80 %.
При производстве цветных силикатных изделий для окраски известково-кремнезёмистых вяжущих в процессе их смешения с песком целесообразно применять не порошкообразные пигменты, как делается на многих производствах, а колеровочные пасты. Колеровочные пасты для собственного употребления нетрудно изготовить в краскотёрках типа «СО». Пасты представляют собой густую массу пигментов, перетёртых на водном растворе диспергаторов и стабилизаторов. В случае загустевания при хранении колеровочную пасту разводят водой до требуемой консистенции. После разведения водой необходимо применить колеровочную пасту в течение 1 ч во избежание выпадения пигмента в осадок. Колеровочные пасты следует хранить в отапливаемом помещении при температуре не ниже 0 °С.
Колеровочные пасты вводят в силикатную массу или штукатурный раствор после полного смешения всех компонентов в стержневых или других смесителях, затем массу перемешивают до получения равномерного окрашивания.
Дозировка колеровочной пасты определяется требуемым оттенком цвета готового изделия после затвердевания силикатного бетона. Рекомендуемая дозировка, под которой подразумевается процентное содержание пигмента к массе сухой известково-кремнезёмистой смеси (песок-заполнитель не считается) при изготовлении изделий полусухим вибропрессованием, следующая: красный цвет — 1,5; жёлтый — 2,2; чёрный — 0,7; коричневый — 1,5; зелёный цвет — 0,2; голубой — 0,2.
Возможен другой способ окрашивания силикатной бетонной массы, который заключается в использовании предварительно окрашенной извести.
Окрашивание и гашение извести осуществляется в виброцентробежных мельницах с помощью любых щёлочестойких красящих веществ в процессе механоактивации. Введение диоксида титана в количестве до 5 % от веса извести увеличивает коэффициент преломления готового продукта на 10 %. Использование такой специальной гидратной цветной механоактивированной извести белого цвета в составе малярной штукатурки позволило получить высокохудожественные свойства отделочных работ на фасадах храмов.
Для получения цветной извести других цветов следует ввести цветные щёлочестойкие пигменты взамен части рецептурного диоксида титана. Присутствие диоксида титана позволяет получить непрозрачные тонкие слои искусственного камня, в противном случае оштукатуренная стена просматривается насквозь, видны восстановления утраченных слоёв штукатурки и другие дефекты фасада.
Известь гашёная механоактивированная порошкообразная цветная соответствует эталону цвета, согласованному с заказчиком, готова к непосредственному применению. Применение извести гашёной механоактивированной цветной позволяет значительно расширить объёмы и номенклатуру архитектурно-отделочных работ по фасадам и интерьерам зданий с применением сухих строительных смесей [6, 7], повысить качество внешнего облика зданий городской и сельской застройки.
Известь гашёная механоактивированная цветная должна применяться в соответствии со строительными нормами и правилами.
Разработка прошла промышленное опробование в городе Коломна Московской области на производственных мощностях ОАО «Щуровский цемент» и готова к внедрению.
Силикатные бетоны классифицируются по объёмной массе.
Тяжёлые силикатные бетоны: заполнители плотные — щебень, песок или песчано-гравийная смесь.
Лёгкие силикатные бетоны: заполнители пористые — керамзит, вспученный перлит, вермикулит, аглопорит и др.
Ячеистые силикатные бетоны: заполнители — пузырьки воздуха, равномерно распределённые в объёме изделия.
Технические требования к силикатному бетону плотной структуры для сборных бетонных и железобетонных изделий и конструкций заводского изготовления приведены в национальном стандарте ГОСТ 25214-82 «Бетон силикатный плотный. Технические условия». Требования данного стандарта обязательны к применению, если в договоре на изготовление или поставку силикатного бетона и изделий из него в разделе «Технические характеристики продукции» указан данный ГОСТ.
Из плотных силикатных бетонов изготовляют несущие конструкции для жилищного, промышленного и сельского строительства: панели внутренних стен и перекрытий, лестничные марши и площадки, балки, прогоны и колонны, карнизные плиты и т. д. (рис. 1).
В последнее время тяжёлые силикатные бетоны применяют для изготовления таких высокопрочных изделий, как прессованный безасбестовый шифер, напряженно-армированные силикатобетонные железнодорожные шпалы, армированные силикатобетонные тюбинги для щитовой проходки туннелей метро и для шахтного строительства (прочность 60 МПа и более).
Коррозия арматуры в силикатном бетоне зависит от плотности бетона и условий службы конструкций; при нормальном режиме эксплуатации сооружений арматура в плотном силикатном бетоне не подвержена коррозии. При влажном и переменном режимах эксплуатации в конструкциях из плотного силикатного бетона арматуру необходимо защищать антикоррозионными обмазками, как это делают на КЖБИ № 211 в Сертолово Ленинградской области (рис. 2).
Для изготовления автоклавных силикатных изделий расход извести составляет 175–250 кг на 1 м3 изделия. Крупноразмерные изделия формуют на виброплощадках, иногда с пригрузом или с вибропригрузом. Отформованные силикатные изделия подвергают запариванию в автоклавах диаметром 2,6 и 3,6 м.
Виброуплотнённые крупноразмерные, силикатные изделия имеют прочность при сжатии 15–40 МПа, плотность — 1800–2100 кг/м3, морозостойкость — 50 циклов и более. При силовом вибропрокате силикатные изделия имеют прочность до 60 МПа и плотность до 2300 кг/м3. Применяют плотные силикатобетонные изделия для строительства жилых, промышленных и общественных зданий; не рекомендуется использовать их для фундаментов и других конструкций, работающих в условиях высокой влажности.
Свойства изделий из силикатного бетона аналогичны свойствам изделий из цементного бетона. Силикатные бетоны по ГОСТ 25214 характеризуются следующими показателями и свойствами.
Предел прочности на сжатие — В5 (М75), В7,5 (М100), В10 (М150), В12,5 (М150), В15 (М200), В20 (М250), В25 (М350), В30 (М400), В35 (М450), В40 (М500), В45 (М600), В50 (М700), В55 (М700), В60 (М800).
По морозостойкости, водонепроницаемости и средней плотности (объёмной массе) устанавливаются следующие марки:
по морозостойкости: Мрз 35, Мрз 50, Мрз 75, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200, Мрз 300, Мрз 400, Мрз 500, Мрз 600;
по водонепроницаемости: В2, В4, В6, В8, В10;
по средней плотности (объёмной массе): Пл1000, Пл1100, Пл1200, Пл1300, Пл1400, Пл1500, Пл1600, Пл1700, Пл1800, Пл1900, Пл2000, Пл2100, Пл2200, Пл2300, Пл2400.
Предел прочности на осевое растяжение — от R 10 до R 40.
Предел прочности на растяжение при изгибе — от Rи 25 до Rи 70.
Из силикатного бетона могут быть изготовлены многие сборные изделия, применяемые в жилищном, гражданском, промышленном и сельском строительстве, в том числе и специализированные изделия сложных форм. Наиболее эффективно изготовление из силикатного бетона пустотных изделий, т. к. пустоты улучшают условия прогрева и охлаждения изделий, снижают массу изделий и расход материалов.
Проектирование изделий из силикатного бетона производится по СНиП 2.03.01-84 и СНиП 2.03.02-86 «Бетонные и железобетонные конструкции из плотного силикатного бетона». Настоящие нормы и правила распространяются на проектирование бетонных и железобетонных конструкций, изготовляемых из плотного силикатного бетона на плотных заполнителях по ГОСТ 25214-82 и предназначенных для работы в условиях систематического воздействия температуры не выше 50° и не ниже 70 °С.
Свойства силикатного кирпича регламентируются ГОСТ 379-79 «Кирпич и камни силикатные. Технические условия». Основные характеристики силикатного кирпича:
марка по прочности — М 125, М150;
марка по морозостойкости — F15, F25, F35;
теплопроводность — 0,38–0,70 Вт/м2K.
Силикатный кирпич — это автоклавный материал, разновидность силикатного бетона на мелком заполнителе, имеющий форму и размеры кирпича. Он состоит примерно из 90 % извести, 10 % песка и небольшой доли добавок. Добавляя некоторое количество пигментов, можно получать силикатный кирпич любого цвета. Стандартные размеры силикатного кирпича (одинарного, полуторного, двойного) аналогичны стандартным размерам керамического кирпича. Требования к качеству, геометрии и внешнему виду силикатного кирпича аналогичны требованиям, предъявляемым к керамическому кирпичу.
Камни силикатные с колотой фактурой (рис. 3) применяются для отделки фасадов зданий и для декоративных элементов ограждений индивидуальных садовых домов и коттеджей. Соответствуют стандарту СТБ 1008-95. Предприятия выпускают кирпич и камни широкой цветовой гаммы, а также с колотой поверхностью. Размеры (мм): 250 x 120 x 44; 250 x 60 x 88; 250 x 90 x 88; F25, F35, F50.
Камни силикатные с колотой фактурой иной формы (рис. 4) — ещё одна разновидность декоративных камней. Применяются для отделки фасадов зданий и для декоративных элементов ограждений индивидуальных садовых домов и коттеджей. Соответствуют стандарту СТБ 1008-95. Предприятия выпускают кирпич и камни широкой цветовой гаммы, а также с колотой поверхностью.
Силикатный бетон на пористых заполнителях — новый вид лёгкого бетона. Твердение его происходит в автоклавах. Вяжущие для этих бетонов применяют те же, что и для плотных силикатных бетонов, а заполнителями служат пористые заполнители: керамзит, вспученный перлит, аглопорит, шлаковая пемза и другие пористые материалы в виде гравия и щебня. В настоящее время промышленность предлагает широкую номенклатуру крупноразмерных изделий из силикатного бетона, такие, как крупные стеновые блоки внутренних несущих стен, панели перекрытий и несущих перегородок, ступени, плиты, балки. Элементы, работающие на изгиб, армируют стержнями и сетками.
Номенклатура стеновых материалов из ячеистого бетона.
Ячеистый бетон по многим своим характеристикам значительно превосходит традиционные стройматериалы, имеет диффузионные характеристики, благодаря которым в жилом помещении поддерживается постоянная влажность воздуха, и поэтому в домах никогда не будет сыро, даже осенью. Ячеистый бетон несгораемый материал, надёжно поглощает звук.
Блоки стеновые мелкие из ячеистого бетона (рис. 5) применяют для кладки перегородок внутри жилых зданий и хозяйственных построек с относительной влажностью воздуха не более 75 %. Размеры (мм): 588 x 150 (200, 400) x 288; 500 x 200 (300, 400) x 288; 588 x 200 x 250 (400); D500; М25; F35. Теплопроводность — 0,125 Вт/м2K при W = 0 %; D600; М35; F35. Теплопроводность — 0,145 Вт/м2K.
Блоки из ячеистого бетона для перегородок зданий (рис. 6) применяют для кладки перегородок внутри жилых зданий и хозяйственных построек с относительной влажностью воздуха в помещениях не более 75 %. Соответствует TУ 21-00010257-380-92. Размеры (мм): 588 x 100 (120, 150) x 288; D700; M35, F35. Теплопроводность — 0,182 Вт/м2K при W = 0 %.
Плиты теплоизоляционные из ячеистого бетона (рис. 7) предназначены для утепления строительных конструкций и тепловой изоляции промышленного оборудования при температуре изолируемой поверхности до 400 °С. Стандарт — CTБ 1034-96. Размеры (мм): 588 x 100 x 288 (576); D350, D400. Теплопроводность — 0.185 Вт/м2K при W = 0 %. Марка по прочности (МПа) — 10.
Итак, прочность силикатного бетона при сжатии, изгибе и растяжении, его деформативные свойства, сцепление с арматурой обеспечивают одинаковую несущую способность конструкций из силикатного и цементного бетона при одинаковых их размерах и степени армирования. Поэтому силикатный бетон можно использовать для армированных и предварительно напряжённых конструкций, что ставит его в один ряд с цементным бетоном.
Данное направление работ получило развитие в связи с удорожанием высокомарочных, быстротвердеющих цементов и энергоносителей на тепловую обработку при изготовлении железобетонных конструкций.
Литература:
1. Авакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов. — Новосибирск: Наука, 1986.
2. Бойнтон Р.С. Химия и технология извести. — М.: Стройиздат, 1972.
3. Володченко А. Н., Жуков Р. В., Лесовик В. С., Дороганов Е. А. Оптимизация свойств силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего // Строительные материалы. — 2007. — № 4. — С. 66–68.
4. Володченко А. Н., Жуков Р. В., Фоменко Ю. В., Алфимов С. И. Силикатный бетон на нетрадиционном сырье // Бетон и железобетон. — 2006. — № 6. — С. 16–19.
5. Жуков Р. В. Автоклавные строительные материалы с использованием попутно-добываемых пород Архангельской алмазоносной провинции: Автореферат диссертации. — Белгород: БГТУ им. В. Г. Шухова, 2007.
6. Кузьмина В. П. Состояние и перспективы развития российского рынка сухих строительных смесей // 5-ая Международная строительная выставка 12–15 сентября 2001 года «Batimat» Санкт-Петербург.
7. Кузьмина В. П. Применение строительных смесей в отделке коттеджных фасадов // Популярное бетоноведение. 2005. — № 5 (7). — С. 128–135.
8. Луцкин Е. С. Возможности использования экспериментально-статистического моделирования для корреляционного анализа между свойствами и параметрами структуры силикатных материалов // Сборник семинара МОК-43. — Одесса.
9. Олейнік О. М. Шлаколужні в'яжучі та бетони з використанням лужних силікатних суспензій: Автореферат диссертации. — Сiмферополь: Крим. акад. природоохорон. та курорт. буд-ва, 2002.
10. Ратинов В. Б., Розенберг Т. И. Добавки в бетон. — М.: Стройиздат, 1989.
11. Садовский Г. П., Гара А. А., Ткаченко Г. Г. Безавтоклавные силикатные бетоны // Сборник семинара МОК-43. — Одесса.
12. Сидорова Н. В. Модифіковані силікатні матеріали безавтоклавного твердіння. Структура, властивості: Автореферат диссертации. — Одесса: Одес. держ. акад. буд-ва та архіт, 2004.
13. Технология вяжущих веществ / Под ред. проф. В. Н. Юнга. — М: Стройиздат, 1947. — С. 71.
14. Шинкевич Е. С., Политкин С. И., Бондаренко Г. Г. Вычислительный эксперимент при анализе влияния составов и режимов твердения на структуру и свойства силикатных материалов безавтоклавного твердения // Сборник семинара МОК-43. — Одесса, Николаев.
Cтатья предоставлена журналом «Популярное бетоноведение» Журнал «Популярное Бетоноведение» — всегда свежая и профессиональная информация о производстве и применению бетонов и других строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом. Издание выходит при поддержке Научно-Технического общества строителей Санкт-Петербурга. Распространяется в России, СНГ, за рубежом. Журнал рассчитан на широкий круг читателей — строителей, технологов, проектировщиков. www.betonmagazine.ru |