Силикатные изделия автоклавного твердения

14.1. Сведения общего и теоретического характера

Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения представляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистого вяжущего, получаемого в про-

ц*ссе 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 термовлажиостной 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 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. Непременным ком­понентом во всех смесях выступает вода.

К числу автоклавных силикатных изделий относят силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, плиты из тяжелого силикат­ного бетона, панели перекрытий и стеновые, колонны, балки и пр. Легкие заполнители позволяют понизить массу стеновых панелей и других элементов. Силикатные изделия выпускают полнотелыми или облегченным 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.

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

Возможность образования в автоклаве камневидного изделия была установлена в конце XIX в., но массовое производство сили­катных изделий, деталей и конструкций, особенно типа бетонов, было впервые организовано в нашей стране. Технология их изго­товления механизирована и в значительной мере автоматизирова­на, что обеспечивает получение более дешевой продукции по срав­нению с цементными материалами и изделиями. Эффективные исследования в этом направлении были выполнены П. И. Божено-вым, А. В. Волженским, П. П. Будниковым, Ю. М. Буттом и др. Было показано, что при автоклавной обработке образуются наибо­лее устойчивые низкоосновные гидросиликаты с соотношением СаО: Si0₂ в пределах 0, 8... 1, 2, хотя на промежуточных стадиях

* Автоклав — цилиндрический металлический котел диаметром 2, 6...3, 6 м при длине 20...30 м с герметически закрывающимися с торцов крышками, обо­рудованный манометром для измерения давления пара в котле, предохрани­тельным клапаном и устройствами для автоматического контроля процесса об­работки паром.

отвердевания возможны и боле» высокооснбвные 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 тепло-влажностных 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 и температуры; изо­термический прогрев до начала снижения давления; спуск пара с последующим извлечением изделий из автоклава.

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

Формирование микро- и макроструктуры силикатного изделия в автоклаве происходит на различных стадиях обработки. Меха­низм отвердевания известково-песчаного сырца до камневидного состояния выражается в том, что вначале образуется известково-кремнеземистое цементирующее вещество, как продукт химическо­го взаимодействия основных компонентов в смеси в условиях повышенных давлений и температур. Согласно одной из теорий (Будникова, Бутта, Кржеминского 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, взаимодейству­ют¹ 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(A) и C₂SH₂, а после полного связывания извести и в процессе перекристаллизации возникают более устой­чивые микрокристаллические низкооснбвные гидросиликаты каль­ция типа CSH(B) и C4S5H5 (тоберморит). Кристаллизация проис­ходит вокруг зерен кварца и в межзерновом пространстве, сопро­вождается срастанием кристаллических новообразований в каркас с дальнейшим его упрочнением и обрастанием.

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

Большую пользу в формировании структуры и свойств силикат­ных камня и материалов оказывают вводимые в смеси добавочные вещества (добавки), выполняющие функции ускорителей процес-■ сов образования гидросиликатов кальция или магния, кристалли­зации новообразований, модификаторов свойств и структуры. В це­лом в составе силикатного камня преобладают низкооснбвные гидросиликаты кальция, имеющие тонкоигольчатое или чешучай-тое микрокристаллическое строение CSH(B) и тоберморит.

Оптимальная структура силикатного материала формируется при определенном количестве известково-кремнеземистого цемента и минимальном соотношении его фазовых составляющих. В свеже-изготовленном конгломерате дисперсионной средой (с) служит известковое тесто (И_г), а в качестве твердой дисперсной фазы (Ф) выступает молотый кремнеземистый (песчаный) компонент (Ям). Активность вяжущего, выражаемого прочностью известково-крем­неземистого вяжущего оптимальной структуры после автоклавной обработки, как и другие свойства силикатного материала, зависят от минимального соотношения #_т: /7_М (по массе). Результаты глу­боких экспериментальных исследований показали, что пределы прочности при сжатии, на растяжение при изгибе, средняя плотность и другие показатели свойств силикатного камня принимают экстре­мальные значения при некотором минимальном соотношении с*/Ф = #_Т*//7_М (рис. 14.1). В полном соответствии с формулой (5.3), прочность силикатного конгломерата R_c—R*fxⁿ, где R* — прочность автоклавного силикатного камня оптимальной структу­ры; х = Ит1П„: Я*/Я_м=о/б* —отношение усредненных толщин пленок известкового теста соответственно в вяжущем веществе конгломерата и в вяжущем веществе оптимальной структуры; п —

Рис. 14.1. Зависимость прочности силикатного камня от соотношения масс известкового теста (Иг) и песка мо­лотого (Пи), а также от состава смеси: /—20: 80; 2 — 40: 60; 3 — 60: 40; 4 — 80: 20; здесь числитель-количество извести; знаменатель — количество молото­го песка (по массе)

R, Mfla

' (*ЛГ t* " ^ ' t_tS И_Т1П„

Рис. 14.2. Зависимость прочности мелкозернистого си­ликатного бетона от его составов:

/ — известково-кремнеземнстое вяжущее: песок 80: 20; 2 — то же, 60: 40: 3 — то же, 40: 60; 4 — ТО же, 30: 70; 5 —то же. 20: 80. Составы 1, 2, 3 изготовлялись с применением керам-дора; составы 4, 5 я 6~ с применением гранитного щебня. Кривые /. // и /// относятся к оптимальным структурам с применением соответственно гранитного щебня, щебня нэ ке-рандора в с применением только местного песка

показатель степени, зависит от качества исходных материалов. Вы­полненные исследования силикатного камня и силикатного конгло­мерата на примерах бетонов мелко- и крупнозернистых (рис. 14.2), показали, что при оптимальных структурах их свойства полностью подчиняются общим закономерностям ИСК (см. § 5.1).

Кроме кремнеземистого сырьевого материала возможно, как показали исследования последних лет, использование в производ­стве автоклавных изделий гораздо шире распространенных мало­кварцевых видов сырья — полевошпатовых, глинистых, карбонат­ных песков, а также шлаков и других побочных продуктов про­мышленности. Минералы малокварцевого сырья, растворившись в условиях автоклавирования, становятся активными компонентами, не уступающими по растворимости кварцу. Их активность зависит от размеров радиусов анионов и катионов, входящих в их состав. По данным Куатбаева, в автоклаве формируется новое вяжущее (бёзобжиговое солешлаковое вяжущее), по свойствам превосходя­щее известково-кремнеземистое автоклавного твердения. Оно состоит из низкоосновных слабозакристаллизованных гидросилика­тов кальция, а в присутствии ионов алюминия — из высокооснбв-ных гидросиликатов кальция.

14.2. Силикатный (известково-песчаный) кирпич

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

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

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

Изготовление силикатного кирпича включает следующие опе­рации: измельчение извести-кипелки, смешение извести с песком, ташение извести в смеси с песком, дополнительное перемешивание и увлажнение смеси до 7... 9%, формование (прессование) кирпича и запаривание сырца-кирпича в автоклавах. Основными операция­ми являются формование и запаривание сырца. Формование кир­пича производится на рычажных прессах под давлением 15, 0... 20, 0 МПа. Отформованный кирпич-сырец укладывается на вагонет­ки и подается для запаривания в автоклав (рис. 14.3).

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

Рис. 14.3. Загрузка кирпича в автоклав Карбонизация извести

способствует повышению плотности, прочности и водостойкости силикатного кирпича.

Силикатный кирпич имеет такую же форму и размеры, как и обыкновенный глиняный — 250х 120x65 мм. Его изготовляют как сплошным, так и пустотелым. Выпускают также крупноразмерный кирпич (250x120X88 мм) с пустотами. В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич делят на марки 75, 100, 125, 200, 250 и 300. Средняя плотность силикатного кирпи-ка несколько выше, нежели у обычного глиняного, и составляет 1800... 1900 кг/м³; теплопроводность находится в пределах 0, 81... 0, 87 Вт/(м-°С). Водопоглощение кирпича должно быть не более 16% по массе, а морозостойкость — не менее Мрз15 (для рядового кирпича).

Силикатный кирпич имеет светло-серую окраску. При использо­вании чистого кварцевого песка и щелочестойких пигментов можно получить изделия голубого, зеленоватого, желтого и других цветов.

Себестоимость силикатного кирпича примерно на 25... 35% ниже глиняного. Он широко применяется для кладки несущих стен промышленных и гражданских зданий, для столбов, опор и т. д.

; > Однако по сравнению с обычным глиняным кирпичом силикатный 1нмеет пониженную стойкость против воздействия некоторых агрес­сивных сред. Такой кирпич не следует использовать для кладки ■ фундаментов, особенно в условиях высокого уровня грунтовых вод. «Запрещается применять силикатный кирпич в изделиях и конст­рукциях, подверженных длительному воздействию нагрева до тем­ператур свыше 500°С (печи, дымовые трубы и т. п.). При дли­тельном нагреве силикатный кирпич разрушается вследствие ■ дегидратации гидросиликата и гидрооксида кальция.

14.3. Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич — стеновые каменные материалы, отличающиеся от силикатного несколько меньшей средней плотностью и теплопроводностью. Известково-шлаковый кирпич изготовляют аналогично силикатному из грану­лированного доменного шлака 88... 98%, извести 3... 12% и воды.

По пределу прочности при сжатии известково-шлаковый и из­вестково-зольный кирпич делят на три марки: 25, 50, 75. Средняя плотность этих каменных материалов 1400... 1600 кг/м³, а тепло­проводность 0, 6... 0, 8 Вт/(м-°С).

Использование шлака и золы для изготовления этих стеновых материалов целесообразно, так как представляется возможным расширить сырьевую базу и снизить себестоимость производства силикатных строительных материалов.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич применяют главным образом для кладки стен зданий высотой не более трех этажей или для кладки верхних этажей малоэтажных гражданских и промышленных зданий.

14.4. Силикатные бетоны

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

Наибольшее применение получили тяжелые мелкозернистые бетоны с пределом прочности при сжатии 15, 20, '25, 30, 40 и 50 МПа. Можно изготовить высокопрочные силикатные бетоны с более высоким пределом прочности — 60, 70, 80 МПа и более.

Морозостойкость таких бетонов, особенно бетонов высокой проч­ности, достигает 300 циклов попеременного замораживания н оттаивания без заметных следов разрушений структуры. Кроме того, они обладают достаточной водостойкостью и стойкостью к воздействию некоторых агрессивных сред. Прочность, морозостой­кость и другие свойства силикатных бетонов в значительной степе­ни зависят от тонкости помола песка и содержания его в смеси при определенном количестве активной СаО. Так, при содержании активной СаО 12, 5% с увеличением удельной поверхности молотого песка прочность и морозостойкость силикатного бетона заметно возрастают.

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

Из плотных силикатных бетонов изготовляют все несущие конструкции: панели стен и перекрытий, лестничные марши и пло­щадки, балки, колонны, плиты и другие детали для сборного промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строитель­ства. Из прочных силикатных бетонов изготовляют также напря­женно-армированные железнодорожные шпалы, тюбинги для шахтного строительства и метро, безасбестовый шифер и другие изделия. Силикатный бетон находит применение для строитель­ства сборных покрытий и оснований дорог общего пользования. Он имеет высокую сопротивляемость износу (не более 0, 2 мм в год) и высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля (0, 65... 0, 80). Кроме несущих конструкций из силикатных бетонов (с до­бавкой цемента М400) изготовляют облицовочные изделия, в частности силикатные облицовочные плиты. Их применяют для облицовки кирпичных жилых и промышленных зданий, за исклю­чением цоколей, наружных подоконников, поясков и других частей зданий, подвергающихся значительному увлажнению. Возможность окраски силикатных плит в различные цвета с помощью щелоче-стойких пигментов позволяет повысить их декоративные качества и широко использовать для архитектурной отделки фасадов зданий.

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