Материалы и технология ячеистого бетона

Высокие теплозащитные и строительно-эксплуатационные показатели ячеисто-бетонных изделий и конструкций, низкая энергоемкость производст­ва и практически неограниченная сырьевая база различных промышленных отходов и вторичных ресурсов обусловливают высокую эффективность этого материала. На основе неорганических вяжущих веществ изготавливаются те­плоизоляционные ячеистые бетоны с пористостью 85-92%, теплопровод­ность и температура применения которых составляют соответственно 0,058-

0,081 Вт/(м·°С) и400-700 °С.

Выпуск ячеистого бетона в странах СНГ на 1000 жителей составляет всего 20 м³, в то же время этот показатель в Чехии составляет 180 м³, Швеции

и ФРГ - примерно 100 м³. Наиболее крупными районами с многолетним опытом применения ячеистого бетона в жилищном строительстве является в странах СНГ Санкт-Петербург, Свердловск, Белоруссия, Украина и Казах­стан.

Материалы по функциональному назначению разделяются на теплоизо­ляционный - средняя плотность до 500 кг/м³ (общая пористость П_общ-82-92%), теплоизоляционно-конструктивный (бетон для ограждающих конст­рукций) - средняя плотность 500-900 кг/м³ (П_общ = 82-66 %), конструкцион­ный (бетон для конструкционных элементов жилых и сельскохозяйственных зданий) - средняя плотность 1000-1400 кг/м³ (П_общ- 62-47 %).

Принципиально различают три способа создания пористой структуры ячеистых бетонов: газообразование (газобетоны, газосиликаты и т.д.); цено­образование (пенобетоны, пеносиликаты и т. д.); аэрирование (аэрированный ячеистый бетон, аэрированный ячеистый силикат и т. д.). К модификации способов поризации относят: выпучивание массы газообразованием в вакуу­ме (небольшое разрежение), аэрирование массы под давлением (барботирование ее сжатым воздухом) с последующим снижением давления до атмосферного и др.

В производствах ячеистых бетонов в качестве вяжущих используют в основном цементы и известь, реже - гипс. Широко используются материалы, проявляющие эффект гидратационного твердения при повышенных темпера­турах. Это отходы промышленности и некоторые горные породы (в основном искусственные и природные стекла), содержащие оксиды натрия, кальция, магния, алюминия, железа и кремния. Наиболее широко из этой группы ма­териалов применяются металлургические шлаки, отходы глиноземного про­изводства, перлиты.

В качестве заполнителей применяются кварцевые пески с содержанием кремнезема не менее 90%, а также зола - унос от сжигания бурых и камен­ных углей, кислые металлургические шлаки, отходы глинозольного произ­водства.

Представляется, что энергетическим критерием, позволяющим ранжиро­вать сырье для производства строительных материалов, может быть свобод­ная внутренняя энергия породообразующих минералов и породы в целом. Эта интеграционная характеристика определяется результатом движения и взаи­модействия частиц (кластеров, молекул, атомов, ионов и т. д.), дефектностью кристаллической решетки породообразующих минералов: наличием включе­ний минералообразующей среды, газа, жидкости; степенью кристалличности минералов, структурой и текстурой горных пород, постгенетическими изме­нениями и другими параметрами, которые способствуют снижению энергоза­трат при производстве строительных материалов.

Свойства и области рационального применения магматических пород определяются триадой: исходные породы - флюидно-силикатный расплав -

условия его охлаждения и кристаллизации.

В астеносфере исходные горные породы находятся при высокой темпе­ратуре, но в твердом состоянии, что обусловлено высоким давлением. При подъеме флюидов или разогреве мантии растет температура, а значит и внутренняя энергия исходных пород. Магма - это наиболее энергонасыщен­ная фаза в эволюции магматических пород. Продвигаясь к поверхности Зем­ли, силикатный расплав теряет энергию на разогрев и плавление вмещающих пород. Кристаллизация сопровождается снижением энергетического потен­циала пород, большим запасом энергии при прочих равных условиях облада­ют породы, образовавшиеся в результате быстрого остывания в условиях низкого флюидного давления при соответственно более высокой температу­ре. Для них характерна более сильная разупорядоченность атомной структу­ры минералов, несовершенство и дефектность кристаллических решеток, на­личие большого количества нераскристаллизованной массы. Это характерно для эффузивных (вулканогенных и вулканогенно-осадочных) пород.

Причем, с точки зрения сырья для производства строительных ма­териалов, эффузивные образования подразделяются на породы со стек­ловатой (витрофировой и афировой структурой), которые представлены в ос­новном стеклом с наличием кристаллитов; вторая группа отличается сущест­венно скрытокристаллической структурой и наличием в стеклофазе микроли­тов.

Интрузивные породы кристаллизуются в течение более длительного времени при значительно большем флюидном давлении, ином составе флюидов и более низкой температуре. Степень кристаллизации и совершен­ство кристаллов у них значительно выше, а свободная внутренняя энергия -ниже.

В процессе метаморфизма под действием температуры, давления и флюидов происходит перекристаллизация вещества в твердом состоянии. Тектонические процессы отражаются на свойствах каждого отдельного кри­сталла и породы в целом. Это проявляется в появлении пластических и раз­рывных дислокации и других дефектов, что характерно для пород начальной степени метаморфизма; при интенсификации степени метаморфизма в на­правлении от фации зеленых сланцев к гранулитовой происходит грануляция деформированных зерен по краям, вдоль трещин, по плоскостям срастания двойников, уменьшается количество включений и других дефектов, а следо­вательно, и свободная внутренняя энергия породы, максимум которой харак­терен для зелено-сланцевой фации метаморфизма.

Эволюционное преобразование исходных пород в осадочные осу­ществляется благодаря интенсивному энергетическому воздействию геологи­ческих и космохимических процессов, превращающих последние в динами­ческую неравновесную систему, свободная внутренняя энергия которой уменьшается в ходе геологической истории.

Образующиеся на первой стадии выветривания каменистые развалы скальных пород, а также гравийно-галечные смеси являются энергосбере­гающим сырьем для производства заполнителей бетона, как и природный пе­сок, традиционно используемый в стройиндустрии.

Более существенная переработка алюмосиликатных пород, связанная с дезинтеграцией не только породы, но и кристаллических решеток породооб­разующих минералов, приводит к смене рациональных областей применения сырья. Продукты деградации минералов и начала синтеза новообразований, как наиболее метастабильные в данной системе, рационально использовать для производства обжиговых строительных материалов, технология произ­водства которых включает разрушение целостности, текстуры и структуры пород и кристаллохимических решеток минералов. Причем в коре выветри­вания и среди современных осадков возможны месторождения практически готовых сырьевых смесей для производства некоторых видов керамики, клинкера и т.д.

Также энергонасыщены кремневые осадки и аморфные силициты, сфор­мировавшиеся при диагенезе и раннем катагенезе. Их рационально использо­вать для производства материалов гидратационного твердения, синтез кото­рых включает растворение кремнезема.

Сырьевую базу автоклавных материалов могут пополнить грубодисперс-ные, насыщенные тонкодисперсным кварцем глинистые породы коры вывет­ривания и зона диагенеза, которые до сих пор не применяются в стройинду­стрии.

Введение нетрадиционного сырья в смеси для производства тради­ционных строительных материалов изменяет кинетику взаимодействия ком­понентов и процесс синтеза новообразований. Поэтому, как правило, требу­ются изменения в методах расчета составов смесей и параметрах тепловой обработки.

По своему составу, строению и свойствам попутнодобываемые породы существенно отличаются от традиционного сырья стройиндустрии.

Для глинистых минералов характерна низкая степень структурной упо­рядоченности кристаллов, что выражается в степени кристаллографической огранки частиц, а при ее отсутствии в характере контуров и краев; в относи­тельном количестве закономерных сростков кристаллов. Эти породы пере­сыщены тонко дисперсным кварцем с корродированной поверхностью, т.е. они не удовлетворяют требованиям к сырью для производства керамических материалов и клинкера. Благоприятные кинетические параметры реакции, как показано Лесовиком B.C.[14] обеспечивают содержание СаО до 30 мэкв/г глины (рис.3.12).

7,07

14,91

Рис. 3.12. Диаграммы распределения величин константы скорости реакции от со­держания СаО и температуры в интервале времени гидротермальной обработки 48-222 мин образцы на основе: а - каолинита; б - монтмориллонита

Причем в такой системе образование цементирующего вещества идет преимущественно за счет взаимодействия гидроксида кальция с глинистыми минералами и частично с тонко дисперсным кварцем. Кварцевый песок с из­вестью практически не реагирует.

Высокая реакционная способность глинистых минералов с неупо­рядоченными кристаллическими решетками и наличие в породе тонко­дисперсного кварца с корродированной поверхностью способствуют сниже­нию изотермической выдержки при автоклавировании в 2-3 раза, а оптими­зация структуры силикатного кирпича - повышению прочности до 25 МПа (при 4% СаО ) и 32 МПа (при 8% СаО) [14].

Экспериментальная проверка теоретических выводов о более высокой реакционной способности кварца зеленосланцевой степени метаморфизма и возможность снижения энергоемкости производства на его основе материа­лов автоклавного твердения осуществлялась Лесовиком B.C. путем ис­следования отсева дробления кварцитопесчаников Лебединского мес­торождения. Кварц этих пород благодаря специфике генезиса: коррозии, структурам растворения под давлением, регенерации - имеет ряд структур­ных дефектов. К ним относятся поликристалличность с изрезанным лапчатым контуром индивидов; волнистое угасание, обусловленное изгибами кристал­лической решетки; образование на контактах зерен структур растворения и перекристаллизации. В результате процессов выветривания в зернах кварци-топесчаника появляется сеть трещин в местах напряжений кристаллической решетки, направленная вдоль кристаллических осей. Все это способствует повышению энергетического потенциала сырья, интенсификации синтеза но-

вообразований и снижению энергоемкости производства строительных мате­риалов автоклавного твердения[14] (рис. 3.13).

Рис.3.13. Диаграммы распределения величин предела прочности при сжатии сили­катного кирпича в зависимости от давления и времени гидротермальной обработки: а - на основе кварца амфиболитовой степени метаморфизма (Урал); б - на основе кварцитопес-чаников зеленосланцевой степени метаморфизма (КМА)

Для приготовления ячеистых бетонов используются смесители различ­ных конструкций. Продолжительность перемешивания составляющих до за­грузки газообразователя 3-5 минута, после загрузки газообразователя - 1-3 минуты.

Ячеистые бетоны на основе минеральных вяжущих и кремнеземистого компонента содержат равномерно распределенные поры трех видов: ячеи­стые, капиллярные и гелевые. Объем пор каждого вида и их характеристиче­ские значения приведены в таблице 3.4.

Для снижения средней плотности бетона необходимо повышать дис­персность компонентов. Тонкому измельчению подвергается кремнеземи­стый компонент и известь. Цемент и алюминиевая пудра, дисперсность ко­торых велика, помолу не подвергаются. Однако дополнительное измельче­ние этих компонентов в составе смеси обеспечивает активизацию вяжущего и газообразователя.

Таблица 3.4 Характеристики пористости теплоизоляционного ячеистого бетона

Автоклавными бетонами называют искусственные каменные материалы, полученные из рационально подобранных, перемешанных и уплотненных смесей крупного и мелкого заполнителей, цементирующих веществ и воды путем обработки водным паром при давлении 0,9 - 1,7 МПа и температуре 174 203 °С в автоклавах.

Научно-исследовательскими институтами НИПИсиликатобетон г. Тал­лин и СПбЗНИИЭП г. Санкт-Петербург разработаны технологические линии производства ячеистобетонных блоков, панелей. В строительстве блоки из ячеистого бетона более эффективны, чем кирпич. Так, масса стены из блоков в 3-5 раз легче такой же стены из силикатного кирпича, а трудозатраты на ее возведение в 2 раза ниже. Производство таких блоков имеет преимущества по капиталовложениям, фондоемкости, производительности труда, энерго­емкости и др. Мелкие блоки хорошо обрабатываются ручным и механиче­ским инструментом. Они легко пилятся, сверлятся, в них хорошо вбиваются гвозди. Наружные и внутренние стены из мелких блоков можно окрашивать. В пос. Силикатный Ульяновской области ведется строительство цеха по производству мелких стеновых ячеистобетонных блоков.

Технологическая линия производства ячеистобетонных блоков показана на рис. 3.14. Данные технологические линии разработаны лабораторией ячеистых бетонов ЛенЗНИИЭП. Автор принимал участие в разработке одной из технологических линий применительно к строительной базе Авиакомплек­са г. Ульяновска. Оборудование линии позволяет изготавливать ячеистобе-тонные стеновые блоки по литьевой технологии на базе известково-цементного и известково-шлакового вяжущего, цемента и сланцевой золы-уноса. В качестве кремнеземистого компонента могут быть использованы кварцевый песок и зола-унос от сжигания бурых углей.

В экспериментальных и производственных исследованиях, проведенных лабораторией ячеистых бетонов ЛенЗНИИЭП, установлено, что прочность при приложении нагрузки перпендикулярно направлению вспучивания на 15-20% выше предела прочности образцов, испытанных параллельно направле­нию вспучивания.

Влажность ячеистого бетона после автоклавной обработки колеблется в пределах 15-35% по массе. Через 1,5-2 года эксплуатации в нормальных ус­ловиях в ячеистых бетонах устанавливается равновесная влажность, равная 6-9 % для изделий на кварцевом песке и 10-15 % - на золе-уноса.

Как показали исследования, проведенные с участием автора в ЛенЗНИ-ЭП, при автоклавной обработке можно синтезировать более тридцати видов кальция различного состава и строения. Камень высокой прочности может быть получен на основе гитролита 2СаО · 3SiO₂ - 2Н₂О; тоберморита 5СаО · 6SiO₂ (2-9) Н₂О; ксонотлита 6СаО·6SiO₂·H2O; трехкальциевого гидросилика­та 6СаО · 2SiO₂-H₂O и др. Однако образование большинства из этих минера­лов в промышленных условиях требует высоких температур, давления и дли­тельного времени, что вызывает увеличение затрат электроэнергии, топлива, капиталовложений. Многочисленными опытами установлено, что изделия со стабильными характеристиками получаются при синтезе гидросиликатов кальция, у которых отношение CaO:SiO₂ находится в пределах 0,8-1,2.

Важным направлением совершенствования ячеистобетонных конструк­ций является снижение их средней плотности. Средняя плотность ячеистого бетона на заводах России составляет в среднем 600-700 кг/м³. В то же время в Швеции 40 лет назад выпускали панели плотностью 400-500 кг/м³. Это еще не предел. В ЛенЗНИЭП разработали составы и технологии получения ячеи­стого бетона со средней плотностью бетона 150-200 кг/м³. При этом исполь­зована газопенная технология и применение органических заполнителей в качестве порообразователей, позволяющие за счет многомодульного распре­деления пор по размерам достичь суммарного размера пористости около 80-82 %. По этой технологии предусмотрена аэрация песчаного шлама в процес­се мокрого помола песка введением в мельницу воздухововлекающей добав­ки. На Белгородско-Днепровском комбинате строительных материалов вы­пущены промышленные образцы конструкций по разработанной технологии.

В качестве направления совершенствования технологии ячеистого бето­на следует ориентироваться на выпуск панелей-брусков на резательных ма­шинах «Универсал» с последующей укрупнительной сборкой и отделкой со­ставных панелей для жилого, гражданского и промышленного строительства. Эти конструкции успешно используются и широко применяются в Японии, ФРГ, Польше.

Распространение монолитного строительства на возведение зданий по­требовало разработки технологии электротермообработки бетона стеновых изделий. Составы керамзитобетона.используемые в производственных усло­виях, имели завышенный на 25-30% расход цемента. Это объяснялось не только колебаниями прочности керамзита от 1,5 до 4,5 МПа, но и медленным темпом набора прочности бетона. В исследованиях, проведенных в производ­ственных условиях, бетонная смесь, уложенная в металлическую опалубку, имела начальную температуру от +5 до 20 °С. В дальнейшем производился

Рис. 3.14. Технологическая линия

производства ячеистобетонных блоков

подъем температуры до +40 °С и изотермическая выдержка. Было установле­но, что проведение подъема температуры при скорости увеличения 10 °С в час сразу после укладки бетона приводит к деструктивным явлениям. Об этом свидетельствовали горизонтально идущие трещины в бетоне и дости­гающие 20-30% снижения прочности образцов, прошедших электротермо­обработку по сравнению с образцами данных составов, твердевших в нор­мальных условиях. Для ликвидации деструктивных явлений в дальнейших экспериментах стремились, чтобы к бетону прикладывались лишь такие тем­пературные воздействия, которые его деформирующаяся структура могла воспринять, оптимальный режим электротермообработки был определен сле­дующим: бетон выдерживался при температуре +20 °С и в течение 3-4 часов. Если температура бетона была ниже +20 °С, то ее поднимали за 1-2 часа. По­сле набора бетоном некоторой прочности продолжался подъем температуры до +40 °С в течение двух-трех часов. После изотермической выдержки бетона в течение 12 часов производилось снижение температуры от +40 до +5 °С за 6-8 часов. Сопоставление значений прочности керамзитобетонных образцов, анализ данных ультразвуковых исследовании показали, что снижение проч­ности из-за деформаций, возникающих при электротермообработке в зимних условиях, по сравнению с контрольными образцами, не превышает 10%. Данные режимы, а также конструкции опалубок были внедрены в мо­нолитном строительстве и используются до настоящего времени.

Поиск по сайту: