Глава 6. Искусственные каменные материалы

 

В дорожном хозяйстве применяются различные искусственные строительные материалы, используемые для возведения зданий и сооружений промышленно-гражданского назначения.

Такие материалы можно разделить на три группы: необжиговые, обжиговые и изделия из силикатных расплавов.

 

Необжиговые строительные материалы и изделия

 

К необжиговым строительным материалам относятся:

− автоклавные силикатные материалы на основе извести;

− гипсовые и гипсобетонные изделия;

− асбестоцементные материалы и изделия;

− строительные растворы.

 

Автоклавные силикатные материалы на основе извести

Автоклавные силикатные материалы – искусственные каменные материалы, получаемые на основе известково-кремнеземистого вяжущего, твердеющего при повышенном давлении и температуре.

Основным компонентом сырьевой смеси, на основе которой получают силикатные материалы, является известь (СаО), обладающая большой химической активностью к кремнезему (SiO₂) при усиленной термовлажностной обработке.

Для производства силикатных материалов рекомендуется применение быстрогасящейся извести с суммарным содержанием активных оксидов кальция и магния (активностью) более 70 % и содержанием MgO не более 5 %.

Наряду с известью в автоклавной технологии возможно применение портландцемента, цементов с добавкой молотого песка, малоактивных белитовых цементов, которые повышают морозостойкость силикатных изделий. В качестве заполнителей наиболее широко применяют кварцевые пески.

Вторым компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок (иногда доменные шлаки, топливные золы, содержащие кремнезем).

Кварцевый песок и другие кремнеземистые компоненты тонко измельчают (до удельной поверхности 1500…3000 см²/г).

Кроме известково-кремнеземистого вяжущего в состав силикатных материалов могут быть введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита.

К автоклавным силикатным материалам относят:

− силикатные бетоны;

− силикатный кирпич;

− стеновые изделия из ячеистого и плотного силикатных бетонов.

Изделия из силикатных материалов приобретают требуемые свойства после автоклавной обработки: постепенного подъема давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермической выдержки изделия в автоклаве при температуре 175…200 °С и давлении 0,8…1,6 МПа в течение 4-8 ч и снижении давления в течение 2-4 ч. Общая длительность обработки 8…14 ч.

В заданном режиме формируется новый известково-кремнеземистый цемент, состоящий из гидросиликатов кальция различного состава.

При автоклавной обработке происходит реакция между гидроксидом кальция и кремнеземистым компонентом:

nCa(OH)₂ + SiO₂ + mH₂O = nCaO×SiO₂∙mH₂O.

В результате такой реакции синтезируется цементирующее вещество в виде гидросиликатов кальция, связывающее зерна псека или другого заполнителя в прочный водостойкий каменный материал.

Автоклав для гидротермального синтеза представляет собой цилиндрический горизонтальный сварной сосуд, герметически закрываемый сферическими крышками (рис. 6.1) (размеры: диаметр 2…3,6 м, длина 19…30 м).

Силикатные бетоны

Силикатные бетоны (как и цементные) могут быть:

− тяжелыми (заполнитель – песок и щебень);

− легкими (заполнители пористые – керамзит, вспученный перлит, аглопорит);

− ячеистыми.

В силикатном бетоне применяют известково-кремнеземистое вяжущее, состоящее из воздушной извести и тонкого измельченного кварцевого песка (или золы, молотого доменного шлака и др.).

Прочность известково-кремнеземистого вяжущего зависит от:

− активности извести;

− соотношения СаО/SiO₂;

− тонкости измельчения песка;

− параметров автоклавной обработки.

Технология изготовления бетонных и железобетонных изделий включает:

− приготовление известково-кремнеземистого вяжущего;

− подготовку и перемешивание силикатобетонной смеси;

− формование изделий;

− автоклавную обработку.

Тяжелый силикатный бетон плотностью 1800-2500 км³ с прочностью 15…18 МПа применяют для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе предварительно-напряженных.

Морозостойкость силикатного бетона при вибрационном уплотнении достигает 200 циклов и более.

Наибольшее распространение получили следующие марки плотного силикатного бетона: М150; М200; М250; М300; М400 и М500.

Высокопрочные силикатные бетоны могут иметь прочность до 80 МПа.

Из плотных силикатных бетонов изготовляют крупные стеновые блоки внутренних несущих стен, панели перекрытий и несущих перегородок, плиты и другие детали для сборного, промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства.

Ячеистые силикатные бетоны изготовляют путем введения в известково-кремнеземистое вяжущее газообразующей добавки (газобетон) или пены (пенобетон).

В качестве газообразователя используют водную суспензию алюминиевой пудры, а пенообразователя – клееканифольные, смолосапониновые и другие вещества.

Газобетонную смесь приготавливают в гидродинамическом или вибрационном смесителе. Пенобетонную смесь приготавливают в двухбарабанном смесителе. В одном барабане приготавливают пену, в другом – раствор из вяжущего и воды. После этого пена выгружается в барабан с раствором, перемешивается и силикатобетонная смесь выливается в раздаточный бункер, а затем – в формы изделия.

Отформованные изделия после выдерживания 6…8 ч направляют в автоклавы для твердения.

В зависимости от назначения ячеистые бетоны подразделяют на:

− конструкционные (r_о = 900…1200 кг/м³, R_сж = 7,5…15 МПа);

− теплоизоляционно-конструкционные (r_о = 500…900 кг/м³, R_сж = 2,5…7,5 МПа);

− теплоизоляционные (r_о ≤ 500 кг/м³, R_сж ≤ 2,5 МПа).

Силикатный кирпич

Искусственный безобжиговый стеновой строительный материал, получаемый из жесткой увлажненной сырьевой смеси, состоящей из извести и кварцевого песка, путем ее прессования и твердения в автоклаве.

Состав сырьевой смеси включает:

− известь (6…8 %, считая на активный СаО);

− кварцевый песок (92…94 %);

− воду (7…9 %).

Технологический процесс производства силикатного кирпича включает следующие операции (рис. 6.2):

− добыча и подача песка;

− дробление и помол негашеной извести;

− смешивание песка с молотой известью;

− гашение смеси извести с песком;

− дополнительное перемешивание и увлажнение смеси до 7…9 % воды;

− прессование кирпича-сырца;

− запаривание кирпича-сырца в автоклаве.

В зависимости от способа гашения извести в смеси с песком различают силосный и барабанный виды производства силикатного кирпича.

При более распространенном силосном способе перемешанная увлажненная смесь извести и песка выдерживается 8…9 ч в бункерах-силосах.

Гасить известь в смеси с песком можно в силосах в течение 8-9 ч или в гасильных барабанах, которые представляют собой металлический цилиндр, по концам имеющий форму усеченных конусов, вращающихся вокруг горизонтальной оси. Песок дозируют по объему, а известь – по весу. После загрузки барабан вращают, впускают пар и гасят известь под давлением 0,3-0,5 МПа. Перед прессованием известково-песчаную смесь перемешивают в лопастной мешалке или на бегунах и дополнительно увлажняют (до 7 %).

Прессование кирпича производят на механических прессах под давлением 15…20 МПа, после чего прочность кирпича-сырца должна быть не ниже 0,3 МПа.

Отформованный кирпич-сырец укладывают в вагонетки, которые подают в автоклав.

Выгруженный из автоклава кирпич выдерживают 10…15 сут. на воздухе для карбонизации извести, не вступившей в химическое взаимодействие с кремнеземом по следующей схеме:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O.

Цвет силикатного кирпича светло-серый, но может быть любого цвета вследствие введения в состав смеси щелочестойких пигментов. Выпускают кирпич двух видов: одинарный 250×120×65 мм и модульный 250×120×88 мм с пустотами, которые позволяют получить массу одного кирпича не более 4,3 кг.

В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич имеет марки: 100, 125, 150, 200, 250.

Плотность силикатного кирпича (без пустот) – около 1800-1900 кг/м³, т.е. он тяжелее обыкновенного глиняного кирпича, теплопроводность 0,70-0,75 Вт/(м∙°С), водопоглощение лицевого кирпича не превышает 14 %, а рядового – 16 %. Марки по морозостойкости для лицевого кирпича: М_рз25, 35, 50; для рядового – М_рз15.

Силикатный кирпич, как и глиняный, применяют для возведения несущих стен зданий. Не рекомендуется его использовать для устройства цоколей из-за недостаточной водостойкости, а также для укладки труб и печей, так как при высокой температуре дегидратируется Ca(OH)₂, разлагаются CaCO₃ и гидросиликаты кальция, а зерна кварцевого песка при 573 °С, расширяясь, вызывают его растрескивание в результате полиморфного превращения кварца в другую разновидность, что сопровождается скачкообразным увеличением объема его зерен.

На производство силикатного кирпича расходуется меньше тепла, поскольку не требуются сушка и высокотемпературный обжиг, поэтому он дешевле глиняного на 30-40 %.