Бетон на силикатном и карбонатном заполнителе

Автор: Зозуля П.В., доц. к.т.н., Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (Технический университет), Кафедра строительных и специальных вяжущих веществ.

Плотные карбонатные породы (известняки, мраморы, доломиты) давно и в больших объёмах применяются в строительстве при производстве щебня, используемого в технологии бетонов в качестве крупного заполнителя [1]. Доля карбонатных пород, перерабатываемых на щебень, составляет около 60%. В последнее время область применения карбонатных пород заметно расширилась. Во-первых, появился гармонизированный с Европейским нормативом на цемент EN 197-1 отечественный стандарт (ГОСТ 31108-2003) [2] разрешающий введение в портландцемент в количестве от 0 до 5 % масс., так называемых, вспомогательных компонентов, кроме того в стандарт включён новый вид портландцемента – ЦЕМ II/A-И, в состав которого можно вводить от 6 до 20% масс. известняка. Согласно EN 197-1 количество известняка в смеси с портландцементным клинкером в цементах марок CEM II/B-L и СEM II/B-LL может доходить до 35% масс.

Во- вторых быстро развивается производство сухих строительных смесей, в заметных объёмах потребляющее в качестве мелкого заполнителя и наполнителя карбонатные породы: дроблёные известняки, мраморы, доломиты, известняковую и доломитовую муку, микронизированный мрамор, микрокальцит, мел и др. природные, а иногда и синтетические карбонатные материалы (например, карбонатные шламы).

В течение довольно долгого времени карбонатные заполнители: щебень и песок по отношению к образующейся при твердении цемента межпоровой жидкости рассматривались как инертные компоненты. Эти же представления распространялись и на измельчённые карбонатные породы. Так, например, в работе[3] сообщается, что “известняки стойки при воздействии щелочей в среде портландцементного камня и отличаются хорошим сцеплением с ним в бетоне”.

Отметим, что именно высокая прочность сцепления цементного камня с гладкими поверхностями известняка и мрамора привлекла внимание исследователей к изучению причин этого явления и позволила установить, факт протекания реакции между карбонатом кальция (кальцитом) и цементным тестом. В 1952 году Журавлёвым В.Ф. и Штейертом Н.П. [4]были проведены определения прочности сцепления цементного камня с поверхностью различных материалов и в том числе с карбонатными породами — мрамором, известняком и магнезитом. Эти результаты (в сокращённом виде) приведены в таблице 1.

Таблица1
Прочность сцепления цементного камня с различными материалами

Прочность на растяжение при изгибе (кг/см2 / МПа) образцов, твердеющих в течение

Обращает на себя внимание весьма высокие значения прочности сцепления с цементным камнем мрамора. Представленные результаты показывают, что когезионная прочность цементного камня (предел прочности на растяжение) превышает 74,7 кг/см2 (7, 3 МПа) в возрасте 3 мес. и 88,6 кг/см2 ( 8,7 МПа) в возрасте 6 мес. Таким образом, имеющиеся в технической литературе данные о том, что когезионная прочность цементного камня составляет 3,0-4,5 МПа существенно занижены.[5] Прочность зоны контакта мрамора с цементным камнем также характеризуется весьма высокими значениями и заметно превышает этот показатель для пород (гранит, диабаз) химическая инертность которых к цементному камню, при твердении в нормальных условиях, не подлежит сомнению.[5] Необходимо отметить, что основания, на которых определялась прочность сцепления различных материалов с цементным камнем, имели невысокую и одинаковую степень шероховатости. Высота неровностей на поверхности подложек составляла во всех случаях 50-80 мкм, поэтому влияние механических факторов (таких как зацепление) на прочность сцепления практически исключалось. На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что наряду с физико-механическими факторами на прочность сцепления карбонатов с цементным камнем оказывают влияние химические процессы, происходящие между основой и продуктами гидратации клинкерных минералов. Авторами было зафиксировано появление в контактной зоне новообразований (петрографическим и рентгенофазовым методами анализа), однако расшифровать их состав не удалось.

Обращает на себя внимание весьма высокие значения прочности сцепления с цементным камнем мрамора. Представленные результаты показывают, что когезионная прочность цементного камня (предел прочности на растяжение) превышает 74,7 кг/см2 (7, 3 МПа) в возрасте 3 мес. и 88,6 кг/см2 ( 8,7 МПа) в возрасте 6 мес. Таким образом, имеющиеся в технической литературе данные о том, что когезионная прочность цементного камня составляет 3,0-4,5 МПа существенно занижены.[5] Прочность зоны контакта мрамора с цементным камнем также характеризуется весьма высокими значениями и заметно превышает этот показатель для пород (гранит, диабаз) химическая инертность которых к цементному камню, при твердении в нормальных условиях, не подлежит сомнению.[5] Необходимо отметить, что основания, на которых определялась прочность сцепления различных материалов с цементным камнем, имели невысокую и одинаковую степень шероховатости. Высота неровностей на поверхности подложек составляла во всех случаях 50-80 мкм, поэтому влияние механических факторов (таких как зацепление) на прочность сцепления практически исключалось. На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что наряду с физико-механическими факторами на прочность сцепления карбонатов с цементным камнем оказывают влияние химические процессы, происходящие между основой и продуктами гидратации клинкерных минералов. Авторами было зафиксировано появление в контактной зоне новообразований (петрографическим и рентгенофазовым методами анализа), однако расшифровать их состав не удалось.

В 1956 Farran J. [7] впервые сообщил о реакции между алюминатами кальция цементного клинкера и карбонатными породами, при этом его исследование было инициировано установлением причин, обусловливающих высокие значения прочности сцепления между кальцитом или доломитом и цементным камнем. Результатом такой реакции было образование гидрокарбоалюмината кальция, состав которого был затем изучен многими исследователями и соответствует формуле 3CaO ∙Al2O3 ∙ CaCO3∙ 11 H2O. Есть основания считать, что эта реакция не является единственной. Так, например, Monteiro P.J.M. и Mehta P. K. [7, 8, 9] высказали предположение о том, что результатом взаимодействия между гидрооксидом кальция и карбонатом кальция может быть образование основного гидрокарбоната кальция — СаСО3∙Са(ОН)2∙H2O, прочно связывающего кристаллы гидрооксида кальция с кальцитом. Высокая прочность сцепления карбонатов кальция с цементным камнем объясняется также влиянием кристаллохимических факторов – эпитаксиальным срастанием Са(OH)2 c поверхностью известнякового или доломитового заполнителя.[10] Имеются сведения о том, что кальцит может конкурировать с гипсом. [7,11] и влиять на сроки схватывания цемента.

Влияние известняка на свойства цементных растворов является частично физическим, а частично-химическим. Тонкодисперсный наполнитель заполняет пустоты между частичками клинкерных минералов и способствует формированию более плотного цементного камня. В присутствии известняка наблюдается увеличение скорости гидратации трёхкальциевого силиката. Это подтверждается данными оптической и сканирующей электронной микроскопии и результатами количественного рентгенофазового анализа содержания гидрооксида кальция[11]. Введение в цемент до 25% карбонатного наполнителя не оказывает заметного влияния на удобоукладываемость цементных растворных смесей, однако в тонкоизмельчённых клинкерах может наблюдаться ускорение схватывания, вероятно вследствие образования гидрокарбоалюмината кальция – 3CаО · Al2O3 ∙ CaCO3 ∙ 11 H 2O .

Требования к известняку, применяющемуся в качестве компонента цемента в отечественном стандарте — ГОСТ 31108 и в нормативе — EN 197-1 различаются. Общим для этих двух стандартов является то, что в известняке должно содержаться не менее 75 % карбоната кальция. Что касается требований к наличию в известняках второстепенных составляющих, то в ГОСТ 31108 они отсутствуют, а EN 197-1 cодержит ограничение на содержание в известняках глинистых частиц в количестве не более 1,2 г/100г, определяемое по методу метиленового голубого (EN 933-9) и на общее содержание органического углерода (по pr EN 13693) в цементах с индексом LL – не более 0,20 % масс., а в цементах с индексом L – не более 0,50 % масс. В некоторых случаях этих условий может оказаться недостаточно для контроля нежелательных реакций в цементно-карбонатных системах.

В связи с тем, что вводимые в цементные растворы и бетоны известняки, как это показано в большом количестве исследований, не являются инертными возникает вопрос о том, не являются ли некоторые из протекающих между карбонатными минералами и поровой жидкостью реакции причиной появления в твердеющих системах опасных, с точки зрения долговечности, изменений объёма, cвязанных с этим напряжений и разрушений.

Можно назвать две потенциальных причины появления в цементно-карбонатной системе деформаций расширения: образование таумасита и щёлочно-карбонатную реакцию– Alkali-Carbonate Reaction (ACR). Таумасит (греч. — “Неожиданный”) представляет собой редкий, встречающийся в природе минерал, впервые обнаруженный ещё в 1874 году. Его структурная формула очень сходна со структурной формулой гидросульфоалюмината кальция — минерала эттрингита, называемого за его разрушительное действие на растворы и бетоны “цементной бациллой”. Таумасит представляет собой гидросульфокарбосиликат кальция, его состав отвечает формуле – CaSiO3∙CaSO4∙CaCO3∙15 H 2O. В бетонах таумасит образуется в результате реакции между силикатами кальция цементных клинкеров, карбонатом кальция и сульфатом кальция.[12] Таумасит оказывает на бетон такое же действие, как и эттрингит: ослабляет межчастичные связи и разрушает бетон. Образованию таумасита способствуют пониженные температуры 2-15° C. В лабораторных условиях синтез таумасита был осуществлён из смеси Ca(OH)2 , CaCO3, двуводного гипса и портландцементного клинкера [12]. Вопросам коррозии бетонов в связи с образованием таумасита и предотвращению её посвящено много работ, но в этой проблеме многое ещё остаётся неясным.

Щёлочно-карбонатную коррозию связывают с использованием в составе бетона доломитизированных известняков[13], однако в литературе описаны случаи щелочной коррозии и недоломитизированных известняков.[ 5 ]

Взаимодействие доломита со щелочами цементного теста называют реакцией дедоломитизации.[13] Эта реакция протекает по следующей схеме:

Сa Mg (CO 3)2 + 2 ROH → Mg (OH)2 + CaCO3 + R2 CO3,

Реакция не прекращается до тех пор, пока в твердеющей системе имеется гидроксид кальция (продукт гидратации и гидролиза минералов-силикатов портландцементного клинкера), который реагирует с щелочными карбонатами по реакции:

Ca(OH)2 + R2CO3 = 2 ROH + CaCO3 ,

Регенерация щёлочи обусловливает продолжение реакции дедоломитизации. Дополнительно могут образовываться гидрокарбонаты и сложные соединения типа гидроксокарбонатов. Деформации расширения в твердеющей системе появляются вследствие того, что продукты реакций имеют объём больший, чем объём, занимаемый исходными участниками реакций. Несмотря на большое количество работ, механизм щёлочно-карбонатного расширения ещё недостаточно выяснен и его изучение продолжается.

Реагирующий со щелочами карбонатный заполнитель, как правило, представляет собой плотный мелкозернистый материал с соотношением кальцит: доломит примерно 1:1, в нём может присутствовать также нерастворимый в кислоте остаток. Загрязнение карбонатных пород алюмосиликатными примесями (глинистыми минералами — иллитом и хлоритом) резко увеличивает диапазон соотношений) в карбонатной породе минералов “доломит-кальцит” (от 0,3 до 3), при котором наблюдаются деформации расширения. Эксперименты свидетельствуют о линейной зависимости расширения бетона от содержания в нём щелочей и количества реакционно-способного заполнителя. Процесс расширения развивается только во влажной или в водной среде. Развитию его способствует повышенное содержание щелочных оксидов в цементе. Щёлочи в цементах присутствуют в основном в виде сульфатов. Некоторое их количество входит в состав твёрдых растворов клинкерных минералов (силикатов, алюмината и алюмоферритов кальция). В результате процессов гидратации в растворе появляется большое количество гидроксид-ионов, а сульфат ионы участвуют в образовании труднорастворимого соединения — эттрингита и выводятся из межпоровой жидкости. Цементы с эквивалентным содержанием щелочей R2 O = N2 O + 0,658 K2 O менее 0,6 % обычно считаются низкощелочными, однако для того, чтобы исключить развитие щелочно-карбонатной коррозии содержание щелочей необходимо снизить до 0,4 %.

Читайте также:  Анкерный болт м20 для бетона размеры

Способом снижения опасности другого вида коррозии бетонов щёлочно-силикатной коррозии – Alkali-Silica Reaction(ASR), обусловленной взаимодействием со щелочами реакционоспособного кремнезёмистого заполнителя, содержащего опал, халцедон, тридимит, кристобалит, кремень, вулканическое стекло, кремнистые сланцы (роговики) и т.п. минералы и породы, является введение в бетоны тонкодисперсных гидравлически активных добавок (тонкоизмельчённого гранулированного доменного шлака, опоки, трепела и т.п.).

Введение таких добавок является не эффективным, когда процесс коррозии контролируется щёлочно-карбонатными реакциями.

При щелочно-силикатной коррозии одним из методов снижения интенсивности щелочной коррозии строительных растворов является также снижение водоцементного отношения. Если процесс коррозии протекает по механизму щёлочно-карбонатной коррозии, снижение В/Ц (вследствие повышения концентрации щелочей в межпоровой жидкости) может напротив приводить к увеличению объёмного расширения.

К минимуму опасность протекания реакций щёлочно-карбонатного расширения сводит эксплуатация изделий в воздушно-сухих условиях. При использовании потенциально реакционноспособных карбонатных пород в качестве заполнителей и наполнителей в составе сухих строительных смесей необходимо тщательно контролировать их минералогический состав. Руководящие рекомендации по петрографической и экспериментальной оценке потенциальной склонности карбонатных пород к щелочно-карбонатной реакции содержатся в американских стандартах ASTM С 294 и C 295. Карбонатные породы склонные к щёлочно-карбонатным реакциям, сопровождающимися опасным расширением, имеют характерную текстуру и минералогический состав. Текстура таких пород характеризуется наличием в них относительно мелких (50- 100мкм, а в некоторых случаях и порядка 20 мкм) кристаллов доломита (в виде ромбов), которые вкраплены в тонкозернистую матрицу из микрокальцита и глины.

Кальциевая карбонатная составляющая содержится в таких породах в большем количестве по отношению к доломиту, а кислотно-нерастворимый остаток содержит значительное количество глинистых минералов – от 5 до 25%.[14] На практике щёлочно-карбонатное расширение бетонов наблюдается сравнительно редко, потому, что склонные к этой реакции заполнители обычно квалифицируются как непригодные для применения в составах бетонов по другим причинам, таким, например, как предел прочности при сжатии.

Методы измерения расширения карбонатных горных пород и бетонов с использованием потенциально опасных заполнителей приводятся в ASTM C586 (метод испытания образцов-цилиндров, изготовленных из горной породы) и ASTM C1105 (испытание образцов-балок, изготовленных из бетона). В свете сегодняшних знаний, расширение, превышающее 0,1 %, свидетельствует о возможности протекания химической реакции.

источник

Заполнители для бетонов – это искусственные или природные материалы, имеющие определенный зерновой состав. Заполнители в составе бетонной смеси занимают до 80% по объему. Применение заполнителей позволяет в значительной степени сократить использование вяжущих веществ.

Такие составляющие, добавленные в цементное тесто, позволяют создать необходимую жесткость, воспринимают на себя возникающие при усадке напряжения и уменьшают общую усадку готового бетона приблизительно в 10 раз при сравнении с цементным камнем. Кроме того, добавление заполнителей повышает прочность и упругость бетона, уменьшает коэффициент ползучести при нагрузке.

В зависимости от добавляемых заполнителей, бетон можно разделить на несколько категорий.

Цементный – широко применяемый в строительстве бетон. При производстве такого бетона используется портландцемент, шлакопортландцемент или пуццолановый портландцемент. Могут использовать цветные цементы.

Силикатный – такой бетон производится с использованием извести. Для твердения и набора прочности необходимо применять автоклавирование. Используется редко.

Гипсовый – производится с добавлением гипса. Используется для устройства внутренних перегородок, подвесных потолков и т.п.

Шлакощелочной – бетон, изготовляемый из измельченных шлаков. Затворение бетонной смеси производится щелочными растворами.

Полимербетон – изготовляется на основе специальных смол, цемента и латекса.

Специальный бетон – при его производстве, в зависимости от требований, используются специальные виды добавок (жидкое стекло или другие компоненты).

По структуре и характеру заполнителей бетоны подразделяются на несколько классов.

  1. Особо легкий бетон. Объемный вес не более 500 кг/м 3 . Заполнители: керамзит, аглопорит, вермикулит и т.п.
  2. Легкий бетон. Объемный вес менее 1800 кг/м 3 . Заполнители: пемза, вулканический туф, известняк, ракушечник.
  3. Тяжелый бетон. Объемный вес больше 1800 кг/м 3 . Заполнители: гравий и щебень горных пород.
  4. Особо тяжелый бетон. Объемный вес больше 2700 кг/м 3 . Заполнители: барит, магнетит, гематит.

При производстве бетона, в зависимости от технических требований, используются различные виды заполнителей, которые подразделяются на три основные группы:

  • естественные, в т. ч. из отходов обогащения и попутно добываемых материалов;
  • изготовленные из отходов промышленности;
  • изготовленные искусственным способом.

Также все заполнители для бетона классифицируются по форме зерен:

  • имеющие округлую форму (песок, гравий и т.п.);
  • имеющие угловатую форму и получаемые в результате дробления.

В качестве заполнителя крупных фракций, при производстве тяжелых бетонов может использоваться щебень из горных пород, имеющий плотность 2,0–2,8 г/см 3 по ГОСТ 8267, щебень из доменных металлургических шлаков по ГОСТ 5578, также заполнитель из шлаков ТЭС по ГОСТ 26644.

Крупные заполнители для бетонов, в зависимости от предъявляемых требований к конечному продукту, подбираются по следующим параметрам:

  • наибольшая крупность фракции и зерновой состав, нормируется с учетом густоты армирования;
  • наличие глинистых и пылевидных примесей, не должно по массе быть больше 2% для бетона В22,5 и 3% для марки бетона В20;
  • форме, наличие иглообразных и пластинчатых зерен по массе не должно быть больше 35%;
  • морозостойкости, морозостойкость заполнителя должна соответствовать марке бетона;
  • содержанию частиц слабых пород, по массе таких частиц должно быть не больше 5%;
  • радиационно-гигиеническим показателям.

В качестве мелкого заполнителя для бетона могут использоваться природный песок, отсев, получаемый при дроблении горных пород. Такие пески должны иметь плотность 2,0–2,8 г/см 3 и соответствовать требованиям ГОСТа 8736. Также могут использоваться золошлаковые смеси ГОСТ 25592, песок из металлургических шлаков ГОСТ 5578.

Мелкий заполнитель для бетонов подбирается по составу зерен, наличию глинистых и пылевидных частиц, радиационно-гигиеническим показателям, петрографическому составу. Также учитывается коэффициент водопоглощения, плотность, прочность исходного материала на сжатие.

Марка бетона – показатель его прочности на сжатие. Этот параметр измеряется после просушки в нормальных условиях бетонного кубика со стороной 20 мм.

На этот параметр большое влияние оказывает наполнитель. Как правило, наполнитель для бетона должен иметь прочность в два раза выше, чем сам раствор. Это необходимо для того, чтобы добиться необходимых характеристик бетона, не допустить деформации изделия во время набора прочности.

источник

Вопросам рационального и комплексного использования местных минеральных ресурсов в строительстве, снижению стоимости строительных объектов, производству и распространению экологически безопасной строительной продукции в настоящее время уделяется большое внимание. В связи с широким распространением во многих регионах Российской Федерации осадочных карбонатных пород актуальной является задача их комплексного использования [3; 6]. Сравнительно низкая прочность и высокая неоднородность состава часто затрудняет и ограничивает применение этого экологически чистого минерального сырья, в том числе в производстве бетонов в качестве крупного заполнителя [2]. В то же время применение привозного крупного заполнителя приводит к значительному удорожанию выпускаемого бетона и строительных объектов в целом.

Исследование сырьевой базы карбонатного щебня республики Марий Эл (РМЭ) показывает его высокую неоднородность не только по прочности и плотности, но и по минералогическому составу. В частности, испытания карбонатных пород РМЭ показали, что их плотность может варьироваться от 1570 до 2710 кг/м3, а прочность при сжатии от 10 до 100 МПа. При этом среднее значение прочности при сдавливании в цилиндре не превышает марку 400. Содержание Mg(CO)3 в карбонатных породах в пределах одного месторождения отличается на десятки процентов [4]. Это сдерживает использование местных карбонатных пород в производстве извести, цемента и силикатных изделий.

Исследования направлены на поиск путей повышения эффективности применения карбонатных пород РМЭ в производстве бетонов. С учетом низкой прочности карбонатных пород сформулирована гипотеза о возможности повышения эффективности их применения в бетонах за счет ограничения количества карбонатного щебня при условии дополнительного использования поверхностно-активных модификаторов, снижающих водопотребность бетонной смеси и улучшающих структуру растворной части бетона [1; 5].

Задача исследования состояла в изучении влияния содержания карбонатного щебня и модифицирующих добавок (СДО и Glenium®51) на формирование физико-технических свойств бетона – прочности при сжатии, водо- и морозостойкости.

В качестве крупного заполнителя применялся карбонатный щебень Коркатовского карьера РМЭ в виде смеси двух фракций: фракции 10-20 мм – 60% и фракции 5-10 мм 40% по массе соответственно. Минералогический состав применяемого щебня характеризовался присутствием 59% доломита и 40% кальцита. Примеси в пределах 1% были представлены минералами кварца и полевого шпата. В качестве мелкого заполнителя использовался природный кварцевый песок Студенковского карьера РМЭ с модулем крупности 2,07.

Ранее проведенные исследования показали, что при максимальном объемном содержании карбонатного щебня, близком к 1,0 м3 на 1 м3 бетона и пониженном только на величину коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя, коэффициент водостойкости бетона снижается до критического значения — 0,8.

Проведен анализ зависимости коэффициента водостойкости бетона от расхода цемента в пределах от 250 до 450 кг на 1 м3 бетона и объемного содержания карбонатного щебня соответственно от 0,7 до 0,9 м3. Расход воды подбирался экспериментально и соответствовал получению равноподвижных смесей с жесткостью 20 с. Водостойкость бетонов оценивалась с помощью коэффициента размягчения по соотношению прочности при сжатии бетона в насыщенном водой состоянии к прочности бетона в сухом состоянии.

В результате проведенного эксперимента получены бетоны с прочностью при сжатии от 25 до 45 МПа. Все составы показали свою высокую водостойкость, в пределах 0,98-1,0.

Исследовано влияние понижения содержания щебня в пределах от 0,9 до 0,7 м3 на 1 м3 бетона в присутствии модификатора СДО от 0 до 0,06% от массы цемента на свойства бетона, получаемого из равноподвижных смесей жесткостью 20 с методом виброуплотнения при частоте вибрации 50 Гц и амплитуде колебаний 0,5 мм. Бетонные смеси приготавливались в лабораторном вибросмесителе в течение 3 мин. Добавка СДО вводилась с водой затворения. Из бетонных смесей формовались образцы — кубы размером 100×100×100 мм. Физико-технические свойства бетонов определялись в возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях.

Читайте также:  Греющий кабель бартек можно заливать бетоном

При постоянном расходе цемента 350 кг/м3 изучено влияние содержания карбонатного щебня и модифицирующей добавки СДО на формирование прочности, капиллярно-открытой пористости и морозостойкости бетона. Влияние состава бетона на формирование прочности при сжатии Rcж, МПа приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Влияние состава бетона на прочность при сжатии

Расходы материалов на 1 м3 бетона

Установлено, что поверхностно-активный модификатор СДО в количестве 0,03% снижает водопотребность равноподвижных бетонных смесей в среднем на 5%. Дальнейшее увеличение количества вводимой добавки до 0,06% от массы цемента незначительно понижает водопотребность. В случае отсутствия модификатора СДО уменьшение объемного содержания карбонатного щебня с 0,9 до 0,7 м3 на 1 м3 бетона приводит к понижению прочности составов от 34 МПа до 28,8 МПа. Введение добавки СДО способствует повышению прочности составов на 5-7%. Статистически значимым на предел прочности при сжатии бетона, модифицированного добавкой СДО, при доверительной вероятности 95% признано снижение объемного содержания карбонатного щебня до 0,7 м3 на 1 м3 бетона.

Влияние модификатора СДО и объемного содержания щебня при расходе цемента 350 кг/м3 на морозостойкость бетона определялась ускоренным структурно-механическим методом в соответствии с ГОСТ 10060.4-95. При этом контролировались капиллярно-открытая пористость и коэффициент повышения прочности бетона при однократном замораживании в насыщенном водой состоянии.

Установлено, что во всем диапазоне варьирования содержания щебня наилучшее влияние на снижение объема капиллярно открытых пор в бетоне оказывает модификатор СДО в количестве 0,03% от массы цемента. Так, при постоянном объемном содержании щебня 0,9 м3 на 1 м3 бетона присутствие добавки СДО в количестве 0,03% от массы цемента понижает капиллярно-открытую пористость бетона с 14,4 до 13,4%. Увеличение содержания СДО до 0,06% не приводит к дальнейшему уменьшению капиллярно открытой пористости.

На рисунке 1 приведена зависимость морозостойкости бетона от содержания карбонатного щебня и количества модификатора СДО.

Рисунок 1 — Зависимость морозостойкости бетона при постоянном расходе цемента 350 кг/м3 от расхода карбонатного щебня и содержания добавки СДО

Анализ влияния содержания щебня и модификатора СДО на морозостойкость показал, что рациональное содержание модификатора СДО 0,03% от массы цемента при рациональном содержании щебня 0,8-0,9 м3 повышает морозостойкость бетона от марки F100 до марки F150. Сопоставление данных показывает, что повышение прочности при сжатии бетона согласуется с результатами определения его морозостойкости и капиллярно-открытой пористости.

Самоуплотняющиеся бетонные смеси изготавливают на составах с содержанием крупного заполнителя не более 0,5 м3 на 1 м3 бетона. В рамках безвибрационной технологии самоуплотняющихся бетонных смесей в присутствии суперпластификатора Glenium®51 на основе поликарбоксилатного эфира исследовано влияние понижения содержания карбонатного щебня в пределах от 0,5 до 0,3 м3 на 1 м3 бетона на формирование его прочности. В качестве варьируемых факторов в эксперименте были выбраны: содержание карбонатного наполнителя и содержание карбонатного щебня фракции 5–10 мм. Карбонатный наполнитель с удельной поверхностью 350 м2/кг был получен помолом отсевов дробления карбонатных пород. При этом расчет вводимого количества карбонатного наполнителя производился из условия, что суммарное содержание цемента и минерального наполнителя (Ц+Н) в смесях составляло 540 кг на 1 м3 бетона. Исходя из этого, содержание минерального наполнителя в исследуемых составах варьировалось от 30 кг до 170 кг на 1 м3 бетона. Щебень вводился в количестве 30-50% от насыпного объема. На основании предварительных испытаний содержание суперпластификатора Glenium® 51 во всех составах было принято равным 2% от суммарной массы цемента и карбонатного наполнителя. Предел прочности при сжатии бетона определялся испытанием образцов-кубов с размером 100х100100 мм после их твердения в течение 28 суток в нормальных условиях.

Результаты исследования прочности при сжатии самоуплотняющегося бетона представлены на рисунке 2.

Анализ полученных результатов показал, что влияние частичной замены цемента карбонатным наполнителем целесообразно при содержании щебня в пределах 30-40%. Для этих составов применение карбонатного наполнителя способствует экономии цемента. В целом было выявлено, что составы бетона с карбонатным наполнителем при введении в рецептуру суперпластификатора Glenium® 51 в количестве до 2% от суммарной массы цемента и карбонатного наполнителя позволяют получить бетоны с прочностью при сжатии от 34 до 46 МПа по безвибрационной технологии.

Рисунок 2 — Влияние частичной замены цемента карбонатным наполнителем на прочность самоуплотняющегося бетона

1. Установлено, что бетон на карбонатном щебне при его содержании в бетоне в пределах от 0,9 до 0,7 м3 водостоек. С точки зрения формирования прочности и морозостойкости при постоянном расходе цемента 350 кг рекомендуются составы бетона, содержащие 0,03% СДО и не ниже 0,8 м3 карбонатного щебня на 1 м3 бетона.

2. Экономичные с точки зрения расхода цемента самоуплотняющиеся составы бетона могут быть получены на основе суперпластификатора Glenium® 51 и карбонатного наполнителя при объемном содержании карбонатного щебня в пределах 0,4-0,3 м3 на 1 м3 бетона.

Салихов Мухаммет Габдулхаевич, д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

Краснов Анатолий Митрофанович, д-р. техн. наук, профессор кафедры строительных материалов и технологии строительства ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

источник

Силикатный бетон относится к группе безцементных бетонных растворов автоклавного твердения, приготовленных на базе известково-кремнеземистых вяжущих в соединении с разнообразными минеральными заполнителями. Качество этого вида бетонов регламентируется ГОСТ 25214-82 и должно соответствовать требованиям и нормам настоящего документа.

Силикатный бетон — это искусственный строительный материал, в котором главными цементирующими компонентами выступают химические соединения кремнезема и гидрата окиси кальция, содержащиеся в кварцевом песке или дисперсной добавке.

Эти компоненты значительно активизируются с применением автоклавной обработки, когда высокое давление водяного пара обеспечивает присутствие воды в жидком состоянии при повышенных температурах (>100°С).

Силикатные бетоны представлены преимущественно мелкозернистой структурой. Заполнителями для таких растворов могут выступать кварцево-полевошпатные или традиционные кварцевые пески.

По структуре силикатные автоклавные бетоны могут быть:

  • плотные тяжелые (заполнитель — кварцевый песок):
  • плотные легкие (пористый заполнитель крупной или мелкой фракции)
  • пористые бетоны (пеносиликат или газосиликат).

Легкий бетон изготавливают на пористых заполнителях — керамзите, перлите, шлаковой пемзе и других пористых материалах, применяемых в виде щебня или гравия. В качестве вяжущих используют те же компоненты, что и при изготовлении плотных тяжелых бетонов.

Учитывая плотность материалов и их конструктивные особенности, легкие бетоны подразделяются на три категории:

  1. Теплоизоляционные бетоны (плотность до 500 кг/м 3 ; теплопроводность материала — 0,18 Вт/(м-°С)). Применяются для теплоизоляции перекрытий и покрытий общественных и промышленных зданий.
  2. Конструкционно-теплоизоляционные силикатные бетоны (плотность материала: 500–1400 кг/м3; теплопроводность изделий — 0,58 Вт/(м-°С). Применяются для производства наружных ограждающих бетонных конструкций (стеновые панели, блоки и др.).
  3. Конструкционные легкие бетоны (плотность изделий 1400–1800 кг/м3) применяются для производства армированных силикатобетонных конструкций и сборных железобетонных изделий.

Тяжелые бетонные растворы, с учетом крупности заполнителя, делятся на мелкозернистые (песчаные) и крупнозернистые. Наиболее распространенными в этой группе считаются песчаные мелкозернистые смеси, состоящие из извести и мелкозернистого кварцевого песка.

Мелкозернистые тяжелые бетоны на кремнеземистых заполнителях, в сравнении с обыкновенными цементными, отличаются более однородной структурой, получаемой в результате плотной химической связи вяжущих и зерен заполнителя. А главный аргумент преимущества таких бетонов — это цена, которая намного ниже, чем у аналогичных по марке, цементных составов.

Силикатные тяжелые бетоны характеризуются плотностью от 1800 до 2200 кг/м 3 . Прочность растяжению–сжатию составляет 100–600 кг/см 2, и может меняться в зависимости от состава смеси, объемного веса заполнителей и режима автоклавной обработки.

К примеру: бетоны на кремнеземистых заполнителях в период автоклавной обработки с содержанием извести 8–11% от общего объема заполнителя, при укладке смеси способом вибрирования, приобретают прочность равную 100–300 кг/см 2 . А при содержании в растворе15–30% мелкозернистого кварцевого песка, и при качественном уплотнении смеси с оптимальным режимом автоклавной термообработки, прочность того же материала возрастает до 400–600 кг/см 2 .

Материалы из ячеистых (пористых) бетонов делятся на пеносиликатные и газосиликатные. Пеносиликат производится путем смешивания специальной пены и тонкомолотой известково-кремнеземистой смеси с последующей обработкой силикатных изделий в автоклаве.

Для получения газосиликата, смешивают известково-кремнеземистую смесь с алюминиевой пудрой.

Наибольшее распространение получили газосиликатные смеси. При этом, производство газосиликатных изделий, в некоторых случаях, намного выгоднее чем изготовление аналогичных изделий из газобетона.

Известково-кремнеземистое вяжущее, присутствующее в составе газосиликатного раствора, позволяет качественно координировать процесс газообразования, что значительно влияет на плотность ячеистой структуры бетона, а впоследствии — и на прочность готового изделия.

Основные свойства силикатных бетонов представлены следующими показателями:

  1. Водопоглощение силикатных изделий, в зависимости от способа уплотнения бетонной смеси, равно 10–18%.
  2. Морозостойкость высокопрочного силикатного бетона доходит до 100 циклов и более.
  3. Высокая коррозийная стойкость – эти параметры незначительно отличаются от показателей цементного бетона.
  4. Термостойкость.
  5. Устойчивость к температурным и атмосферным воздействиям.
  6. Низкая себестоимость производства готовых изделий.
  7. Долговечность (до 70 лет).

Основным вяжущим компонентом в силикатном бетоне выступает тонкомолотая известь кипелка или известь-пушонка, которая в сочетании с заполнителями и составляет основное сырье для производства силикатных бетонов. После добавления воды и последующей тепловой обработки в автоклавах, силикатобетонная смесь превращаться в прочное бетонное изделие.

Известь, применяемая для производства силикатных смесей должна отвечать следующим свойствам:

  • средняя скорость гидратации;
  • умеренный экзотермический эффект;
  • вся фракция должна быть одинаково обожженной;
  • MgO менее 5%;
  • время гашения извести — 20 мин не более.

Недожог известковой массы приводит к повышенному расходу материала. Пережог снижает время гидратации извести, что приводит к вспучиванию, появлению трещин на поверхности изделий и др.

Известь, применяемая для производства силикатобетона, обычно используется в виде тонкомолотых известковых смесей следующего состава:

  • известково-кремнеземистые — соединение извести и кварцевого песка;
  • известково-шлаковые (известь и доменный шлак);
  • известково-зольные — топливная сланцевая или угольная зола и известь;
  • известково-керамзитовые и другие подобные компоненты, получаемые из отходов промышленного производства пористых заполнителей;
  • известково-белитовые вяжущие, получаемые при низкотемпературном обжиге известково-кремнеземистой сухой смеси и кварцевого песка.

В качестве кремнеземистых заполнителей используют следующие материалы:

  • кварцевый молотый песок;
  • металлургические (доменные) шлаки;
  • зола ТЭЦ.

Наиболее часто в качестве заполнителей выступают кварцевые пески средней и мелкой фракции, которые по своему составу должны выглядеть следующим образом:

  • 80% и более кремнезема;
  • менее 10% глинистых включений;
  • 0,5% и меньше примесей слюды.
Читайте также:  Бетон марки м150 прочность на сжатие

Крупные включения глины в структуре кварцевого песка снижают морозостойкость и прочность силикатного бетона.

Тонкомолотый кварцевый песок оказывает значительное влияние на формирование высоких эксплуатационных свойств силикатных бетонов. Так, с повышением дисперсности частиц песка увеличивается морозостойкость, прочность и другие характеристики силикатных материалов.

При выборе составляющих для изготовления силикатного бетона необходимо знать следующее:

  1. Расход вяжущего увеличивается пропорционально увеличению прочности бетона.
  2. Снижение расхода вяжущих в составе силикатной смеси наблюдается при повышении дисперсности мелкого кварцевого песка, и увеличивается при повышении формовочной влажности силикатобетонного раствора.
  3. Дисперсность молотого кварцевого песка должна быть в 2,5 раза ниже дисперсности молотой извести.

Промышленное производство силикатного бетона условно делится на несколько объемных этапов:

  • подготовка необходимых материалов;
  • приготовление известково-кремнеземистой смеси;
  • формование силикатобетонных изделий;
  • автоклавная обработка силикатобетона.

В состав предприятия, специализирующегося на производстве силикатобетонных изделий, входят следующие автономные отделения:

  • отделение по приему материалов для изготовления силикатобетона;
  • арматурное отделение;
  • помольный цех;
  • бетоносмесительное отделение;
  • формовочный цех;
  • автоклавное отделение;
  • склад силикатобетонных изделий.

Примерная технологическая инструкция для изготовления силикатных изделий в заводских условиях представляется следующим образом:

  1. В помольном цехе измельчают, просеивают и сушат все необходимые составляющие известково-кремнеземистых вяжущих. Помол компонентов проводят в трубных или вибрационных мельницах.
  2. Затем материалы, при помощи пневмонасоса, поступают в бетоносмесительное отделение, где все необходимые компоненты дозируют и загружают в смеситель принудительного действия. Добавляют воду и перемешивают до получения однородной смеси. Для улучшения подвижности бетона, в его состав добавляют водные растворы пластификаторов.
  3. Готовая силикатобетонная смесь подается в бункер бетоноукладчика, с помощью которого она разливается в подготовленные формы. Время выдержки до распалубки готовых изделий должно составлять не менее 20 часов.
  4. После набора необходимой прочности, изделия складываются в штабели на вагонетки, и при помощи электропередаточного моста транспортируются в автоклавное отделение для термообработки.

Процесс автоклавной обработки — последний и самый важный этап в производстве силикатобетонных изделий. Поэтому, для того чтобы понять саму сущность процесса автоклавной обработки, рассмотрим принципиальную схему работы автоклава.

В автоклаве протекают сложные процессы, в результате которых силикатобетонные смеси превращаются в силикатобетонные изделия заданной плотности различной формы и назначения.

Автоклав для термообработки — это горизонтально расположенный цилиндрический резервуар (Ø 2,6–3,6 м, длиной 20–40 м) с герметическими сферическими крышками. Сосуд оборудован манометром, регистрирующем давление пара, и предохраняющим клапаном, который автоматически открывается при повышении в резервуаре давления выше критического.

Внизу уложены рельсы для передвижения вагонеток с изделиями. Для снижения теплопотерь во время термообработки поверхность паропроводов и сама поверхность автоклава покрывается специальным теплоизоляционным составом. Помимо этого, автоклавы оборудованы устройствами для перепуска использованного пара в следующий автоклав и магистралями для сброса конденсата.

В подготовленный автоклав загружают отформованные силикатные изделия, и плотно закрывают сферические крышки. Затем, в устройство подают насыщенный пар.

Весь процесс автоклавной обработки материалов можно разделить на пять составляющих:

  1. Подача влажного пара с установленной в автоклаве температурой равной 100°С;
  2. Увеличение давления пара, и повышение температурного режима до технически необходимого минимума.
  3. Термическая выдержка изделий при максимально допустимой температуре и давлении.
  4. Постепенное снижение температуры до 100°С, и уменьшение давления пара до атмосферных показателей.
  5. Процесс остывания силикатных изделий до 18–20°С может проходить в автоклаве, либо на открытом воздухе.

Качество силикатобетонных материалов автоклавного твердения в значительной мере зависит от грамотного управления физико-химическими процессами, протекающими в автоклавах на различных этапах термообработки. Автоклавная термообработка материалов считается наиболее эффективным способом ускорения набора прочности бетонных изделий.

В заключение этой главы можно сделать следующий вывод: процесс производства силикатных изделий — сложное и кропотливое занятие, требующее определенных знаний и специального оборудования. Приготовить силикатобетон в условиях строительной площадки своими руками можно, но получить изделия необходимого качества без автоклавной обработки практически нереально.

Поэтому, бетон силикатный и изделия из него, лучше приобретать на профильных предприятиях со специальным оборудованием и обученным персоналом. В этом случае, вы получаете гарантии качества приобретенных строительных материалов, и уверенность в том, что конструкция возведенная из этого материала, будет прочной и долговечной.

На сегодняшний день из силикатно-бетонных смесей производят следующие виды силикатных изделий:

  1. Крупные сборные железобетонные конструкции — плиты перекрытий, блоки, силикатные панели для стен фасадов.
  2. Из мелкоштучных изделий — рядовой, облицовочный кирпич, силикатные камни (блоки) и газосиликатные блоки для внутренних и наружных стен жилых и промышленных зданий.

Наибольшей популярностью в индивидуальном строительстве по праву пользуются силикатный кирпич и силикатобетонные изделия из пористых бетонов, которые и называют газосиликатными блоками.

Силикатный кирпич — это стеновой материал, получаемый из смеси гашеной извести и кварцевого песка путем прессования, с последующим твердением в автоклавной установке под действием высоких температур и повышенного давления водяного пара (см. видео в этой статье).


Технология изготовления силикатного кирпича состоит из следующих технологических процессов:

  • помол компонентов вяжущего (кварцевый песок и известь);
  • дозирование компонентов (известь — 15–25%; кварцевый песок — 75–85);
  • смешивание составляющих с добавлением воды, в результате которого происходит гашение извести и распределение компонентов смеси;
  • прессование изделий под высоким давлением (30–40 Мпа);
  • укладка изделий на вагонетку;
  • автоклавная термообработка.

Расход компонентов вяжущего зависит от заданной плотности изделия. Смешивание компонентов проходит в двухвальном смесителе. Усреднение состава смеси и гашение извести проводят в агрегатах непрерывного или периодического действия.

Прессование кирпича выполняется при помощи револьверного пресса. Это станок карусельного типа, оборудованный зоной заполнения прессформы силикатным раствором, зоной прессования и выпресовки, а также зоной для съема сырца. Оптимальная влажность формовочной смеси — 5–7%.

Затем силикатные изделия, уложенные на вагонетку, отправляют для сушки и твердения в автоклав.

Температура в автоклаве должна быть не ниже 175°С, оптимальное давление пара — 0,8 Мпа. Время автоклавной термообработки, для силикатного кирпича средней плотности, должно составлять 8–12 часов.

Силикатные кирпичи и камни могут быть следующих видов:

  • одинарный кирпич полнотелый или пустотелый (250х120х65);
  • утолщенный пустотелый кирпич (250х120х88);
  • силикатные камни пустотелые (250х120х138).

Цвет рядового силикатного кирпича молочно-белый. Облицовочный кирпич может быть еще и цветным, окрашенным химически стойкими пигментами в различные декоративные цвета.

Для силикатного рядового кирпича и силикатных камней установлены следующие марки по прочности: 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300; марки по морозостойкости — F15, F25, F35, F50.

Марка по прочности для облицовочного силикатного кирпича не должна быть ниже 125, а по морозостойкости F35 и более. Водопоглощение силикатных изделий должно быть не более 6%.

Силикатные мелкоштучные изделия используют наравне с керамическим кирпичом для кладки стен надземной части жилых зданий и сооружений. Из–за недостаточной влагостойкости материала, его запрещается использовать для устройства фундаментов зданий даже с гидроизоляционным слоем.

Не допускается применение силикатных кладочных материалов для возведения зданий с влажным режимом эксплуатации (прачечные, бани и др.), а также использовать силикатные изделия для кладки печей и др.

Помимо известково-песчаных изделий еще производится известково-зольный и известково-шлаковый кирпич. В этих марках, вместо песка используют золы ТЭС или доменные металлургические шлаки. Свойства этих марок аналогичны характеристикам известково-песчаного силикатного кирпича.

Эти стеновые материалы — разновидность силикатного кирпича, в которых кварцевый песок подменен пористым металлургическим шлаком (известково-шлаковый) или топливной золой (известково-зольный).

Для изготовления известково-шлакового силикатного кирпича требуется 88–97% доменного шлака и 3–12% гашеной извести, а для производства известково-зольного материала нужно 75–80% топливной золы и 20–25% гашеной извести.

Зола и шлак являются дешевым силикатным сырьем, получаемым при сжигании бурого или каменного угля в котельных ТЭС и т.д. В период сгорания измельченного топлива, в топке остается крупная зола, а мелкие частички вместе с дымовыми газами уходят в дымоход, в котором установлены золоуловители. Полученная таким способом зола отправляется в отвал, а потом используется в производстве силикатных материалов.

Топливные золы и шлаки имеют в своем составе низкое содержание CaO ( Производство известково-зольного и известково-шлакового кирпича сравнимо с производством силикатного кирпича, а вот характеристики несколько отличаются от аналогичных свойств силикатного песчаного изделия:

  • размер кирпича — 250х120х140;
  • плотность материала 1400–1600 кг/м 3 ;
  • теплопроводность изделий 0,6 Вт/(м * К);
  • прочность на сжатие (марки) — 75, 50 и 25;
  • морозостойкость находится в тех же пределах что и у рядового силикатного кирпича.

Применяется известково-зольный и известково-шлаковый кирпич для устройства стен малоэтажных зданий.

Силикатные изделия пористой структуры характеризуются небольшим объемным весом и пониженной теплопроводностью. В этой главе рассмотрим производство и основные характеристики газосиликатных блоков, как наиболее популярных из всего ассортимента газосиликатных изделий, применяемых в индивидуальном строительстве.

Для приготовления газосиликатной смеси используются следующие материалы:

  • портландцемент;
  • известь-кипелка;
  • алюминиевая пудра в качестве газообразователя;
  • кварцевый песок;
  • вода.

Технологическая инструкция производства пористых силикатных изделий представлена следующими операциями:

  1. Приготовление известково-кремнеземистого вяжущего.
  2. Сухая смесь поступает в смеситель, куда добавляют алюминиевую пудру и воду.
  3. Затем, готовую массу укладывают в подготовленные металлические формы.
  4. В формах происходит процесс вспучивания газосиликатной массы с образованием горбушки над границей формы. Горбушку срезают и отправляют на переработку. Окончание периода вспучивания массы должно совпадать с началом процесса схватывания вяжущего.

Газосиликатные блоки подразделяются на следующие категории:

  • теплоизоляционные (плотность до 500 кг/м 3 , прочность на растяжение–сжатие 25 кг/см 2 );
  • конструкционно–изоляционные (плотность 500–800 кг/м 3 , прочность на растяжение–сжатие 75 кг/см 2 );
  • конструкционные (850 кг/м 3 и более, прочность 75–150 кг/см 2 );
  • средняя общая теплопроводность составляет 0,2 Вт/(м * К).

Основные размеры газосиликатных блоков представлены в таблице ниже (см. фото).

Свойства газосиликатных изделий:

  • высокие теплоизоляционные свойства;
  • морозостойкость;
  • легкость монтажа и обработки газосиликатных материалов;
  • высокая термостойкость;
  • повышенная звукоизоляция;
  • экологичность;
  • долговечность.

Применяются газосиликатные блоки для кладки наружных и внутренних несущих стен, перегородок, а также могут служить теплоизоляционным материалом для утепления покрытия кровли, наружных стен и междуэтажных перекрытий.

Подсказки: влагостойкость силикатных изделий намного ниже, чем у аналогичных цементных. Поэтому, не рекомендуется применять газосиликатные блоки во влажных помещениях, и оставлять надолго наружные стены строения без гидроизоляции или дополнительной отделки фасада здания.

Как видим, бетон силикатный и изделия из него являются прекрасными и экономичными строительными материалами. По качеству силикатобетонные изделия не уступают изделиям из газобетона и тяжелого цементного бетона, а себестоимость их на 15–20 % ниже вышеназванных конкурентов.

источник