44. Свойства строительных растворов

Для приготовления раствора часто используют несколько вяжущих веществ. Если для приготовления раствора применяют только одно вяжущее, то раствор называют простым, если несколько — сложным. Заполнителями служат песок, мелкий шлак, опилки и др. Чаще всего используют песок. Строительные растворы применяют для производства каменных, штукатурных и печных работ.

Прочность раствора характеризуется его маркой. Марку раствора определяют исходя из прочности на сжатие стандартных кубов с длиной ребра 70,7 мм (площадь сжатия 50 мм2) после 28-дневного твердения в нормальном тепловлажностном режиме. Для строительных растворов определены следующие марки: 4, 10, 25, 75, 100, 150, 200 и 300, которым соответствует прочность на сжатие 4(0,4), 10(1), 25(2,5), 75(7,5), 100(10), 150(15), 200(20), 300(30) кгс/см2 (МПа). Прочность раствора на растяжение примерно в 5... 10 раз меньше, чем на сжатие. В растворах марок 4 и 10 в качестве вяжущего обычно используют известь.

Состав раствора обозначают количеством исходных материалов (по массе или объему) на 1 м° готового раствора или отношением исходных материалов (тоже по массе или объему). Расход вяжущего всегда принимают за 1. Для простых растворов, состоящих из одного вяжущего и заполнителя, обозначение имеет, например, следующий вид: 1:5, т.е. на 1 часть массы или объема вяжущего следует брать 5 частей массы или объема песка. В сложных растворах, состоящих из двух вяжущих, обозначение состоит из трех цифр, например: 1:0,5:6, т.е. на 1 часть массы или объема цемента приходится 0,5 части массы или объема извести и 6 частей массы или объема песка. Прочность раствора зависит от количества вяжущего и его активности, качества заполнителя, количества воды, условий приготовления и выдерживания раствора, его возраста.

В зависимости от отношения вяжущего и заполнителя различают жирные, нормальные и тощие растворы. Жирные растворы имеют перерасход вяжущего. Смеси этих растворов очень пластичны, но при затвердении происходит их сильная усадка. Если такие растворы укладывают толстым слоем, то во время твердения появляются усадочные трещины. Тощие растворы содержат относительно небольшое количество вяжущего. Растворная смесь имеет малую пластичность, и с ней трудно работать, но благодаря минимальной усадке ее успешно используют в отделочных работах. Жирность раствора можно определить при помощи кельмы или палочки. Если растворная смесь не прилипает к кельме, а только пачкает ее, раствор тощий; если раствор прилипает в отдельных местах, он нормальный, а большое количество прилипшего раствора свидетельствует о его жирности. Для нормализации к тощим растворам надо добавить вяжущее, а к жирным — заполнитель.На прочность раствора влияет крупность зерен заполнителя. Тесто вяжущего должно покрыть зерна заполнителя тонкой пленкой. Общая поверхность мелкозернистого заполнителя больше, чем крупнозернистого (для одного и того же объема). Это значит, что для одной и той же марки раствора чем меньше зерна заполнителя, тем больше необходимо цемента, или при одном и том же расходе цемента раствор будет тем прочнее, чем больше будут зерна заполнителя. На прочность раствора также влияет прочность заполнителя. Используя заполнитель из твердых горных пород, прочность раствора можно повысить в 1,25... 1,5 раза.

Прочность раствора в очень большой степени зависит от количества воды и характеризуется отношением воды и вяжущего, т.е. цифрой, которую получают, разделив массу воды, использованную для затворения раствора, на массу вяжущего вещества. Приготовляя растворы, воды берут намного больше, чем ее необходимо для обеспечения химической реакции твердения вяжущих. Обычно водоцементное отношение приближается к 0,5, хотя для полной гидратации цемента вполне достаточно отношения 0,15...0,20. При увеличении водоцементного отношения резко снижается прочность раствора. Но лишняя вода в растворах необходима, потому что работать с растворами, содержащими малое количество воды, очень трудно. Кроме того, излишки должны компенсировать потерю воды, всасываемой основанием, на которое кладут раствор. И все-таки надо помнить: чем больше воды будет в растворе, тем меньшей будет его прочность.

Для получения прочного раствора все составляющие следует очень тщательно перемешать. При неравномерном перемешивании часть зерен заполнителя не будет покрыта пленкой теста вяжущего, а это снизит общую прочность раствора несмотря на то, что часть зерен будет покрыта тестом вяжущего с избытком.

На прочность раствора влияют условия твердения. Понижение температуры замедляет протекание реакции твердения вяжущего, а замерзание раствора (особенно в начальной стадии твердения) вызывает резкое снижение его прочности, так как при замерзании объем воды увеличивается, что вызывает разрыв уже образовавшихся контактов между кристаллами вяжущего. После оттаивания раствор продолжает твердеть, но его прочность не достигает прочности незамерзшего раствора. Особенно опасно замерзание раствора в начальной стадии твердения, потому что прочность образовавшихся связей незначительна. Когда раствор достиг такой прочности, что давление образовавшихся кристаллов льда не может разорвать образовавшиеся связи между частицами связующего, замерзание раствора уже не опасно.

Быстрое испарение воды при твердении в жарких и сухих условиях вызывает в верхних слоях нехватку воды для нормальной реакции твердения, и реакция может вообще не проходить, поэтому раствор следует увлажнять.

Со временем прочность раствора увеличивается. Средний относительный прирост прочности цементного и сложного раствора, твердеющего в нормальных условиях при температуре 15...25 "С, по сравнению с прочностью в возрасте 28 сут следующий: после 3 сут — 0,25; после 7 сут — 0,5; после 14 сут — 0,75; после 60 сут — 1,2 и после 90 сут — 1,3.

По плотности различают тяжелые и легкие растворы. Тяжелыми считаются растворы плотностью более 1500 кг/м"; изготовляют их на заполнителях плотностью более 1200 кг/м^. Легкие растворы приготовляют на заполнителях плотностью менее 1200 кг/м"; плотность таких растворов не превышает 1500 кг/м^. Прочность тяжелых растворов выше, но повышена и их теплопроводность. Морозостойкость легких растворов ниже, чем тяжелых, поэтому их рекомендуется применять для оштукатуривания внутренних помещений или устройства полов.

Водонепроницаемость раствора важна для наружной штукатурки зданий, при устройстве гидроизоляции, слоя раствора под керамические плитки в санузлах и др. Полностью водонепроницаемых растворов нет. Самыми водонепроницаемыми являются растворы с большой плотностью. Для повышения водонепроницаемости в раствор во время его приготовления можно добавить церезит, жидкое стекло и полимерные смолы.

По морозостойкости различают следующие марки растворов: 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и 300. Морозостойкость растворов характеризуется количеством циклов переменного замораживания и оттаивания насыщенного водой раствора, во время которых прочность раствора снижается не более чем на 25%. Чем больше плотность раствора и меньше водонепроницаемость, тем выше его морозостойкость. Это особенно важно учитывать при наружных отделочных работах.

45. Виды растворов и область их применения в строительстве.

Кладочные растворы.При возведении стен применяют цементные, смешанные (цементно-известковые и цементно-глиняные), известковые и глиняные растворы.

Назначение состава раствора для каменных кладок зависит от условий эксплуатации, вида конструкций и степени их долговечности. Их приготавливают следующих видов: цементные,цементно-известковые,цементно-глиняные,известковыеиглиняные. Расход материалов для растворов марки 25 и выше определяют специальным расчетом, для марок 4 и 10 приводят в виде отношения вяжущего к песку по объему.

В табл. 8.2 приведены примерные составы смешанных кладочных растворов марок М25-100 в объемных частях (цемент : известковое или глиняное тесто : песок).

Подвижность кладочных растворов определяют по глубине погружения конуса Стройцнила (см. рис. 8.1). При кладке стен из кирпича и бетонных камней подвижность назначается 9-13 см, при бутовой кладке 4-6 см, монтаже стен из панелей и крупных блоков — 5-7 см.

Цементные растворысостоят из цемента, песка и воды. Их применяют при возведении фундаментов и конструкций, эксплуатируемых во влажной среде. Цементно-известковые растворыицементно-глиняные растворысостоят из цемента, воздушной извести или глины, песка и воды. Известь и глину вводят в виде теста как пластифицирующие добавки. Часть известкового или глиняного теста может быть заменена мылонафтом, подмыленным щелоком, лигносульфонатами техническими и другими органическими пластификаторами. Добавки повышают удобоукладываемость и водоудерживающую способность растворных смесей. В известково-цементных растворах экономия цемента составляет 30-50 кг на 1 м³раствора по сравнению с цементными. Расход цемента в цементно-глиняных растворах выше, чем в цементно-известковых.

Цементно-известковые и цементно-глиняные растворы применяют для возведения подземных и надземных частей зданий.

Известковые растворысостоят из извести, песка и воды. Их применяют для приготовления растворов марок 4 и 10 для конструкций надземных частей зданий, работающих в сухих условиях.

Глиняные растворысостоят из глины, песка и воды. Их применяют для растворов надземных частей зданий: марку 4 — в сухом климате, марку 10 — для растворов с добавками в умеренно влажном климате.

В современном строительстве чаще всего применяют цементно-известковые растворы, реже — другие виды. Марка раствора назначается в зависимости от условий работы конструкций и степени их долговечности (табл. 8.2).

Штукатурные растворы.В строительстве наиболее часто применяется монолитная штукатурка, получаемая из штукатурных растворов. Штукатурное покрытие состоит из двух или более слоев. Сцепление с поверхностью основания обеспечивается подготовительным слоем или обрызгом, толщиной не более 5 мм по кирпичным и бетонным поверхностям и 9 мм по деревянным. Основной слой (грунт) толщиной 5-7 мм служит для получения ровной поверхности. Улучшенный вид достигается за счет накрывочного слоя толщиной не более 2 мм.

Растворы для обычных штукатурок подразделяют на цементные, известковые, цементно-известковые, известково-гипсовые, гипсовые, глиняные и глино-известковые.

Цементные растворыприменяют для наружных штукатурок, подвергающихся систематическому увлажнению, и внутренних — в помещениях с относительной влажностью воздуха свыше 60%. Для повышения их водостойкости желательно применять гидрофобизующие добавки, например кремнийорганические жидкости. Соотношение цемента и песка по объему принимают для обрызга 1:(2,5-4), для грунта — 1:(2-3), для накрывочного слоя — 1:(1-1,5).

Цементно-известковые растворыприменяют при оштукатуривании как фасадов зданий, так и внутренних помещений. Введение извести резко повышает пластичность растворов. Содержание известкового теста зависит от назначения слоя. Для обрызга вводят обычно 0,3-0,5, для грунта — 0,7-1 и накрывочного слоя — 1-1,5 объемных частей извести.

Известковые растворысостоят из известкового теста и песка. Примерный состав раствора 1:(2-4). Они обладают повышенной пластичностью, медленно схватываются и твердеют. Растворы с избытком извести растрескиваются, с избытком песка не растрескиваются, но имеют пониженную прочность. Вместо известкового теста в растворах может применяться молотая известь. Жизнеспособность таких растворов составляет 5-10 мин, через 20-30 мин они схватываются. Через 15-20 мин от начала затворения температура их поднимается до 100 °С. Во многих случаях это является положительным свойством. Штукатурка быстро высыхает.

Известковые растворы применяют для штукатурки внутренних поверхностей с относительной влажностью воздуха не более 60%.

Известково-гипсовые растворысостоят из известкового теста, гипсового вяжущего (чаще всего строительного гипса) и песка. Гипсового вяжущего вводят 0,25-1 часть на одну часть известкового раствора непосредственно перед нанесением на оштукатуриваемую поверхность. Их применяют для оштукатуривания внутренних стен в помещениях с относительной влажностью воздуха до 60% и наружных стен в районах с устойчивым сухим климатом.

Для штукатурки гипсовых и деревянных стен и перегородок могут применяться гипсовые растворыс наполнителями. Гипс ускоряет схватывание и твердение раствора. Схватывание начинается через 4-5 мин после затворения водой. Замедление конца схватывания на 15-20 мин дает гашеная известь, квасцы, бура в количестве 5-20% от массы гипса. На 20-30 мин замедляют конец схватывания клеи костный и мездровый, вводимые в количестве 0,2-0,5% сухого вещества от массы гипса.

Глиняные растворысостоят из глины, песка или соломенной сечки, опилок, льняной или конопляной костры. Состав их 1:(3-5). Применяют их для оштукатуривания второстепенных сухих помещений.

Глино-известковые растворысостоят из глиняного теста, извести и песка. На молотой извести их состав 1:0,2:3, на гашеной — 1:0,3:3,5. Применяют их для штукатурки наружных стен в районах с сухим устойчивым климатом и внутренних поверхностей помещений, эксплуатируемых при относительной влажности воздуха до 60%.

Все виды штукатурных растворов должны обладать заданной подвижностью (9-14 см); не расслаиваться в процессе производства; соответствовать требованиям, необходимым для механизированного производства работ; обеспечивать заданную прочность и хорошее сцепление с основанием.

Максимально допустимый размер зерен песка для подготовительных слоев штукатурок не должен превышать 2,5 мм, отделочного слоя — 1,2 мм.

Монтажные растворы.При монтаже стен горизонтальные швы между панелями из тяжелого бетона заполняют раствором марки не ниже М100; из легкого бетона — не ниже М50. При монтаже стен из крупных блоков марки раствора для заполнения горизонтальных швов указывают в проекте (обычно М10-50). Для расшивки вертикальных швов панельных и крупноблочных стен марка раствора должна быть не ниже М50.

Для монтажа несущих железобетонных конструкций марка цементного раствора должна быть не ниже марки бетона этой конструкции.

Растворы специального назначения.Гидроизоляционные растворы(водонепроницаемые) — обычно жирные цементные растворы состава 1:1-1:3,5, в которые добавляют церезит, растворимое стекло, алюминат натрия, хлоралюмокальций, азотно-кислый кальций, хлорное железо, битумную эмульсию, полимеры и др.

Для заделки трещин в каменных конструкциях, устройства водонепроницаемых покрытий по сырым поверхностям применяют растворные смеси с алюминатом натрия. Такие растворы имеют также повышенную стойкость против размыва водой. Растворы с добавкой растворимого стекла — быстросхватывающиеся, создают прочные водонепроницаемые покрытия, что позволяет использовать их при заделывании трещин, раковин, из которых сочится вода. Для гидроизоляционных растворов применяют портландцемент, пуццолановый, сульфатостойкий и гидрофобный портландцемента, глиноземистый, водонепроницаемый расширяющийся (ВРЦ) и безусадочный (ВВЦ) цементы маркой не менее М400. В качестве мелкого заполнителя в гидроизоляционных растворах применяют для стяжек песок с модулем крупности 2-3.

Особенно надежно служат гидроизоляционные растворы, нанесенные методом торкретирования, модуль крупности песка которых должен составлять 2,5-3,5. Такие растворы применяют для покрытия стен бассейнов, трубопроводов, туннелей, подвалов, подвергающихся действию агрессивных вод.

Тампонажные растворыприменяют для заделки водоносных трещин и пустот в горных породах, а также для заполнения пространства между креплением выработки и породой с целью гидроизоляции шахтных стволов, туннелей и равномерности распределения горного давления на облицовки (крепи). Эти растворы могут быть цементно-песчаными, цементно-песчано-суглинистыми, цементно-суглинистыми. Они обладают хорошей однородностью, водостойкостью, подвижностью, прочностью и стойкостью к агрессивным водам. В качестве вяжущих материалов применяют: для обычных гидрогеологических условий — портландцемент; при наличии агрессивных сред — шлакопортландцемент; при наличии напорных вод — тампонажный портландцемент. Состав этих растворов принимают от 1:4 до 1:15 или от 1:2:2 до 1:5:10.

Инъекционные растворыиспользуют при омоноличивании строительных швов гидротехнических сооружений и швов сборных железобетонных элементов. Для этой цели применяют цементно-коллоидные растворы, которые подают в швы методом инъекции. После твердения такие растворы образуют достаточно однородный и плотный цементный камень.

Заполнение швов и каналов в предварительно напряженных конструкциях с целью защиты арматуры от коррозии, заделывание трещин в бетоне и скальных породах обычно осуществляют цементно-песчаными растворами или цементным тестом марки не менее 300 при В/Ц = 0,35-0,45 и марке цемента 400 и более. При этом расход цемента на 1 м³раствора составляет 1100-1400 кг, а для теста 1300-1600 кг.

К таким растворам предъявляют требования по прочности, морозостойкости, вязкости и водоотделению.

Для повышения подвижности и морозостойкости в их состав следует вводить 0,1% мылонафта или лигносульфонатов технических. Для инъекционных растворов следует применять портландцемент марки не ниже 300. Марка раствора по прочности назначается не ниже 300. Для конструкций, эксплуатируемых при отрицательных температурах, назначается марка по морозостойкости. Твердение раствора в заинъекцированной конструкции должно протекать при температуре не ниже 15 °С. Для ускорения твердения прибегают к пропариванию при температуре 60-70 °С.

Декоративные растворыприменяют для отделки фасадов зданий, фасадных сторон стеновых панелей и блоков, а также интерьеров. Их наносят на поверхность в виде штукатурки, а также в виде отделочного слоя на оштукатуренную поверхность или лицевую поверхность панелей и крупных блоков.

В зависимости от вида отделки декоративные растворы бывают цементные, известковые, цементно-известковые, терразитовые, камневидные и составы полимерцементные, гипсополимерцементные и др. В качестве вяжущего для декоративных растворов применяют белые и цветные портландцементы, полимеры и смешанные цементно-полимерные вяжущие. Для окраски растворов в необходимый цвет в их состав вводят щелочестойкие природные и искусственные пигменты в количестве 3-12% от массы сухого вещества. В качестве заполнителей применяют природные кварцевые и дробленые из горных пород пески, крошки различных горных пород. Для придания растворам блеска в их состав могут вводиться слюда или дробленое стекло.

Жаростойкие растворыпо своему составу подразделяются на шамотно-цементные и шамотно-бокситовые.

Шамотно-цементный растворсостоит из портландцемента (16-20%), шамотного порошка (80-84%) и пластификаторов огнеупорной глины (4-6%) от массы шамотно-цементной смеси и добавки ЛCT (0,1%) от массы цемента. Крупность зерен шамотного заполнителя не должна превышать 1,2 мм. Количество тонкомолотого порошка в шамотной составляющей должна быть равна расходу цемента. Глина вводится в виде тонкомолотого порошка или глиняного молока. Применяют его для кладки тепловых агрегатов из алюмосиликатного кирпича, эксплуатируемых при 1200 °С.

Шамотно-бокситовый растворсостоит из шамотного порошка (78%), порошка боксита (8,7%), жидкого натриевого стекла (13,3%) и пластификаторов огнеупорной глины (4%), обработанной кальцинированной содой и ЛСТ (0,1%), от массы шамотно-бокситовой смеси. Применяют его при температуре 1300-1350 °С для кладки рекурператоров, газоходов, боровов мартеновских печей.

Кислотоупорные растворысостоят из вяжущего, заполнителя, наполнителя и отвердителя. Кроме того, в их состав могут вводиться различные добавки.

В качестве вяжущих применяют натриевое жидкое растворимое стекло с силикатным модулем 2,4-2,8 и плотностью 1,3-1,32 г/см³и калиевое — с силикатным модулем 3-3,2 и плотностью 1,3-1,32 г/см³.

Заполнителями служат кислотостойкие материалы: кварцевый природный песок, дробленые андезитовые, гранитовые, бой штучных керамических изделий. В качестве наполнителей применяют порошки из кислотостойких пород — андезита, диабаза и др. Отвердителем является кремнефтористый натрий. В качестве добавок, увеличивающих водостойкость раствора, вводят силикагель, диатомит, трепел и др., содержащие реакционно-способный кремнезем, для повышения плотности вводят фуриловый спирт, фурфурол, парафин и др. Примерный состав раствора на натриевом стекле следующий: Na₂O(2,4-2,8)SiO₂— 400-460, Na₂SiF₆— 60-80, тонкомолотый наполнитель — 420-800, песок — 800-1325 кг/м³. В растворы с добавками могут вводиться или активный кремнезем — 21, или фуриловый спирт — 13, или парафин — 8 кг.

Состав раствора на калиевом стекле следующий: К₂O(3-3,2)SiO₂— 420, Na₂SiF₆— 63, наполнитель — 875, песок — 875 кг/м³.

Кислотоупорные растворы применяют для защиты строительных конструкций от воздействия кислот средних и высоких концентраций. При воздействии серной, фосфорной и уксусной кислот рекомендуется раствор на калиевом стекле.

Водонепроницаемые растворыприменяют для повышения водонепроницаемости конструкций и сооружений. Их наносят в виде стяжек, штукатурок, методом торкретирования. Их изготавливают на расширяющихся цементах, портландцементах с различными добавками и жидком калиевом стекле. Заполнителями служит кварцевый песок с М_КР1,5-2 для штукатурных работ, 2-3 — для стяжек и 2,5-3,5 — для торкретных работ.

В качестве расширяющихся цементов применяют расширяющийся портландцемент и гипсоглиноземистый цемент, дающие плотный цементный камень.

В растворы на портландцементе и шлакопортландцементе вводят уплотняющие добавки Cа(NO₃)₂х4Н₂O — 1%, FeCl₂— 1,2% от массы цемента.

Значительно увеличивает водонепроницаемость введение в раствор на пуццолановом портландцементе алюмината натрия.

Он состоит из пуццоланового портландцемента (1 части по объему), песка (2 частей) и воды с содержанием 2-3% алюмината натрия до требуемой консистенции.

Калиевым жидким стеклом с плотностью 1,4-1,42 затворяют сухую цементно-песчаную смесь. При работе с ним следует иметь в виду, что схватывание смеси происходит через 1-5 мин от начала затворения.

Растворы для полов применяют для укладки плиток и других мелкоштучных материалов, устройства подготовок и стяжек. На цементно-песчаных растворах марки не менее 75 укладывают плитки цементно-песчаные, бетонные из бетона класса не менее В_b25, керамические и ксилолитовые; на растворах марки 150 и выше — брусчатку, клинкерный кирпич, плиты из бетона класса выше В_b25, чугунные плиты.

Акустические и теплоизоляционные растворыимеют среднюю плотность не более 1200 кг/м³. Вяжущими для их изготовления служат портландцементы, известь, гипс или смесь портландцемента и извести. В качестве заполнителей применяют пески с зернами крупностью до 3-5 мм, получаемые из пористых материалов: пемзы, туфов, шлаков, перлита, аглопорита, керамзита. Состав наиболее распространенных перлитовых растворов (отношение цемента к песку по массе) следующий: простых — 1:(5-8), смешанных — 1:(0,25-1):(5-8). Они выполняют акустические и теплозащитные задачи. Коэффициент звукопоглощения их составляет 0,5, коэффициент теплопроводности — 0,06-0,12 Вт/(мх°С).

Растворы для зимних работ.В зимних условиях при отрицательной температуре конструкции из обычной кладки, а также из панелей и крупных блоков могут возводиться на цементных, цементно-известковых и цементно-глиняных растворах методом замораживания или без прогрева с применением химических противоморозных добавок. Лучшим вяжущим является портландцемент, допускается применение шлакопортландцемента и пуццоланового портландцемента марки 300 и выше. Прочность раствора марки 25 и выше на портландцементе в кладке при толщине стен и столбов 38 см и более, возводимой методом замораживания, при оттаивании должна быть не менее 0,2 МПа, раствора на шлакопортландцементе и пуццолановом портландцементе при любой толщине стен — 0.

В качестве противоморозных добавок применяют поташ K₂CO₃, нитрит натрия NaNO, или комплексную добавку, состоящую из нитрата кальция Ca(NO₃)₂x4H₂O и мочевины CO(NН₂)₂.

Для надземных неармированных конструкций, где допускаются высолы и увлажнения, можно применять хлорид кальция СаСl₂, хлорид натрия NaCl или смесь NaCl + СаСl₂.

46.Изделия автоклавного твердения на основе извести и кремнеземистого компонентов.

Твердение известково-кремнеземистых материалов в условиях обработки паром в автоклавах — следствие ряда сложных физических и физико-химических процессов. Изучением этих процессов интенсивно занимались и занимаются в нашей стране Н. Н. Смирнов, И. Ф. Пономарев, П. П. Будников, Ю. М. Бутт, П. И. Боженов, Т. М. Беркович, Л. С. Болквадзе, Б. Н. Виноградов, X. С. Воробьев, К. Э. Горяйнов, Г. И. Книгииа, С. А. Кржемин-ский, М. Я. Кривицкий, К. К. Куатбаев, К- Ф. Ломунов, Л. А. Малинина, С. А. Миронов, А. П. Меркни, А. В. Са-талкин, К. И. Саснаускас, Е. С. Силаенков, А. А. Федии, Л. М. Хавкин, М. С. Шварцзайд и другие исследователи.

Некоторые из основных положений теории автоклавной обработки нзвестково-кремнеземистых материалов разработаны А. В. Волженским в 1932—1935 гг. Согласно этой теории, автоклавная обработка состоит из трех стадий. Первая включает период с момента впуска пара в автоклав до достижения заданной температуры обрабатываемых изделий. Вторая характеризуется постоянством температуры и заданного давления пара в автоклаве. При этом максимальное развитие получают все те химические и физико-химические процессы, которые обусловливают возникновение цементирующих   новообразований и твердение известково-песчаных или бетонных изделии. Третья начинается с момента прекращения доступа пара в автоклав и включает время остывания изделий в нем до их извлечения.

Пар, впускаемый в автоклав с отформованными изделиями, охлаждается и конденсируется от соприкосновения с ними и холодными стенками котла. До создания в автоклаве давления пара конденсат образуется преимущественно на гранях изделий, но при постепенном подъеме давления пар начинает проникать в мельчайшие поры материала и превращаться в воду. Таким образом, к воде, введенной при изготовлении изделия, присоединяется еще вода от конденсации пара. Вода в порах растворяет присутствующий здесь гидроксид кальция и другие растворимые вещества, входящие в состав изделия, что также способствует конденсации пара (закон Ф. Рауля), поэтому при обработке изделий паром низкого или высокого давления образование цементирующих веществ протекает в присутствии воды в жидком состоянии. Роль пара при запаривании сводится только к сохранению жидкой воды в материале в условиях повышенных и высоких температур. В отсутствие пара вода испарялась бы, материал высыхал и полностью бы прекращались реакции, связанные с образованием цементирующих веществ.

На первой стадии тепловлажностной обработки наблюдается разница температур пара и запариваемого изделия, обусловливающая в последнем значительные напряжения, как термические, так и вызываемые расширяющимися воздухом и водой в порах изделия. Чем больше изделие, чем меньше теплопроводность и выше пористость материалов (например, ячеистых бетонов), тем значительнее термические и иные напряжения при прочих равных условиях.

Как только достигаются наивысшие температуры запаривания, не превышающие обычно 174,5—200 °С (0,9— 1,6 МПа), наступает вторая стадия запаривания. В это время преобладают все те процессы, которые ведут к образованию монолита и начинаются еще во время нагревания изделия паром. К этому моменту его поры в достаточной степени заполнены раствором гидроксида кальция, непосредственно соприкасающимся с кремнеземистыми компонентами. Таким образом, в рассматриваемых условиях взаимодействие между гидроксидом кальция,и кремнеземом, а также гидратация каких-либо компонентов изделия протекают при наличии воды в жидкой фазе.

Чем выше температура, мельче частички кремнеземистого материала и, следовательно, больше их реагирующая поверхность, чем теснее они соприкасаются и легче разлагается данная модификация кремнеземистого материала, тем скорее протекают процессы взаимодействия гидроксида кальция с кремнеземистым материалом и водой при одной и той же концентрации гидроксильных ионов,

При взаимодействии кварца с известью в реакцию в первую очередь вступают гндроксильные ионы, образующиеся при растворении Са(ОН)2 в воде. Они гидрати-руют молекулы SiC>2 и делают их способными к последующим реакциям с ионом кальция. Можно полагать, что под влиянием попов ОН~ происходит разрыв связей — —SiO—SiO— в тетраэдрах кремнезема и образование групп H==SiOH, которые в последующем взаимодействуют с ионами кальция с образованием гидросиликатов кальция.

Сначала при наличии насыщенного раствора гидроксида кальция в известково-песчаных смесях, подвергаемых тепловой обработке при 174,5—200 °С, образуется двухосновный гидросиликат кальция состава (1,8—2,4) CaO'Si02-(l—1,25) Н20. Этот гидросиликат, по системе X. Тейлора, можно обозначить С25а-гидрат. По системе Р. Богга, он имеет формулу C2SH(A). Кристаллизуется в форме призматических пластинок размером до 10— 20 мкм и более. Кроме того, образуется гидросиликат кальция состава (1,5—2)CaO-Si02-/zH20, кратко обозначаемый, по X. Тейлору, С—S—Н (II), а по Р. Боггу, C2SH2 (см. главу 5). В дальнейшем с увеличением температуры и длительности тепловлажностной обработки, сопровождающимся снижением концентрации гидроксида кальция в растворе и увеличением растворимости кремнезема, возникают условия для образования менее основных гидросиликатов кальция. Преимущественно возникают гидроснликаты группы С—S—Н (I), по X. Тейлору, или, по Р. Боггу, CSH (В), химического состава, меняющегося в пределах (0,8—1,5) CaO-Si02- (0,5—2)Н20. Они кристаллизуются в виде тончайших слоистых пластинок, которые при повышенном значении отношения CaO-Si02 свертываются в удлиненные трубки, имеющие вид волокон или игл длиной' до 0,5—1 мкм.

Длительная тепловая обработка способствует образованию хорошо выраженных кристаллов тоберморита, имеющего состав 5CaO-6Si02-5H20(C5S6H5). Новообразования такого состава получаются при изготовлении строительных изделий. из известково-песчаных бетонов в промышленных условиях при продолжительности изотермической выдержки под давлением пара 0,9—1,6 МПа от 4 до 8 ч.

По данным Ю. М. Бутта и Л. Н. Рашковича, Г. Ка-лоусека и др., гидросиликаты группы CSH (В), образующиеся в известково-песчаных смесях при автоклавной обработке, обеспечивают получение бетонов высокой прочности. Тоберморит, а особенно C2SH(A) характеризуются менее выраженными вяжущими свойствами. Надо полагать, что это связано с увеличенным размером частиц таких новообразований. С другой стороны, известково-песчаные бетоны, связанные CSH (В) и отчасти C5S6H5, отличаются пониженной морозостойкостью и повышенной склонностью к усадке при высыхании. Наличие же в бетонах C2SH (А) способствует повышению морозостойкости и стойкости против действия углекислоты воздуха,

Образующиеся малорастворимые низкоосновные гидросиликаты кальция выпадают в виде исключительно-дисперсных субмикроскопических коллоидальных осадков. Последние возникают преимущественно на поверхностях песчинок, окаймляя их по контуру. В процессе запаривания каемки на песчинках утолщаются за счет образования все новых и. новых слоев гидросиликатов кальция. При этом новообразования соединяются в одну общую своеобразную сетку, связывающую все частички песка. В связи с этим целесообразно уплотнение при формовании изделий с помощью вибрации, прессования и др.

Не надо забывать о том, что в условиях кратковременной обработки материалов в автоклавах необходимо быстрое образование значительного количества цементирующих веществ для сцепления всех частичек в единый монолит. Чем компактнее будут уложены все частички в сформованном изделии, тем скорее будет достигнут заданный эффект твердения при минимальном количестве новообразований.

Кристаллы гидросиликатов кальция вначале образуются в коллоидном состоянии и неразличимы даже в оптическом микроскопе, но при наличии водной среды и в условиях высокой температуры с течением времени переходят в более крупные кристаллические образования. К концу запаривания гидросиликаты кальция, а также другие возникшие цементирующие вещества в зависимости от возраста будут иметь различную структуру: образовавшиеся в начале запаривания успеют в какой-то степени перекристаллизоваться, возникшие же на последней стадии запаривания будут еще находиться в виде тонкодисперсных субмикроскопических частичек.

При тепловлажностной обработке в автоклавах прочность известково-песчаных изделий вначале возрастает, достигает некоторого максимума, а затем при длительном запаривании снижается. Это явление характерно для изделий и и а других вяжущих веществах. Причиной прекращения роста прочности и ее падения следует считать затухание процессов возникновения новообразований и структурные изменения, происходящие в пленках новообразований.

В первые часы запаривания рост прочности известково-кремнеземистых изделий обусловливается интенсивным образованием частичек гидросиликатов кальция тончайшей дисперсности, обладающих высокими клеящими (вяжущими) свойствами. С течением времени процесс возникновения гидросиликатов затухает вследствие образования пленок на песчинках, затрудняющих взаимодействие кремнезема и гидроксида кальция. Естественно, что это обстоятельство приводит и к постепенному снижению интенсивности роста прочности системы во времени. Но наряду с образованием высокодисперсных частичек гидросиликатов кальция с самого начала запаривания изделия идет параллельный процесс — увеличиваются размеры ранее образовавшихся частичек, которые превращаются в более крупные кристаллы. Укрупнение частичек гидросиликатов, обусловливающее уменьшение площади контактов между ними, вызывает снижение механических показателей твердеющей системы. С того момента, когда процесс укрупнения частичек вследствие перекристаллизации начинает преобладать над процессом образования новых частичек высокой дисперсности, уже создаются предпосылки не к росту, а к падению прочности изделия. Это подтверждается сопоставлением прочности изделий и удельной поверхности новообразований в образцах из известково-песчаных, цементно-песчаных и шлакопесчаных смесей. При запаривании прочность при сжатии образцов, а также удельная поверхность новообразований вначале возрастают до определенного максимума, зависящего от свойств исходных материалов и температуры тепловой обработки. Дальнейшее запаривание приводит к снижению механической прочности с уменьшением удельной поверхности частичек новообразований вследствие перекристаллизации. Тем самым подтверждается справедливость гипотезы, по которой наибольшая прочность цементного камня, а следовательно, и изделия достигается при максимальной удельной поверхности новообразований.

Третья стадия запаривания начинается с момента прекращения доступа пара в автоклав и кончается в момент извлечения изделия из него. При охлаждении автоклава в теле изделий возникает интенсивное парообразование, что при чрезмерно быстром сбросе давления может нарушить структуру цементирующих веществ и понизить прочность изделия. Это обстоятельство надо учитывать при изготовлении изделий методом автоклавной обработки. Кроме механического воздействия пара на изделия в период его нагревания и охлаждения в автоклаве большое влияние оказывают термические напряжения.

Таким образом, на первой и на последней стадии запаривания изделия подвергаются значительным механическим воздействиям, сопротивляемость же материала их разрушающему влиянию определяется комплексом физико-механических свойств изделия. Отсюда вытекает важный для практики вывод о том, что для каждого изделия, подвергаемого тепловлажностной обработке паром, существуют, определенные критические скорости его нагревания и охлаждения.

При изготовлении известково-кремнеземистых автоклавных материалов успешно применяется молотая негашеная известь, обеспечивающая получение более прочных и долговечных изделий по сравнению с изготовляемыми на гашеной извести. В качестве кремнеземистого компонента используют преимущественно кварцевый песок. Однако целесообразно применение и различных отходов промышленности (золы, шлаки, горелые породы и т.п.). На их основе получают шлакосиликатные, золо-силикатные и тому подобные автоклавные изделия.

Твердение известково-кремиеземистых (в частности, известково-песчаных) изделий в автоклавах интенсифицируют следующими методами:

увеличивают реагирующую поверхность извести и кремнеземистого компонента (песка). Для этого негашеную известь размалывают совместно с песком в соотношении 1:1 —1:2 по массе до удельной поверхности 3000—5000 см2/г; далее эту смесь, рассматриваемую как вяжущее, вводят в немолотый песок в количестве 15— 30 % массы смеси;

подвергают изделия тепловлажностной обработке в автоклавах при давлении пара 1,2—1,5 МПа (оти.), а следовательно, и при повышенных температурах (190— 200°С). Однако применение пара повышенного давления связано с увеличением стоимости автоклавов и котельных установок и в каждом конкретном случае должно быть экономически обосновано. Вместе с тем ряд исследований показал возможность изготовления автоклавных материалов при пониженных давлениях пара (0,2— 0,6 МПа) с использованием в качестве добавок к основному сырью молотых металлургических и электротермо-фосфорных шлаков, зол, горелых пород, кирпичного боя и т. п.;

добавляют в известково-песчаные смеси материалы, более интенсивно реагирующие с известью, чем кварцевый песок, например трепел, диатомит, некоторые вулканические породы, керамзит и др.

Известково-песчаные изделия, полученные обработкой паром в автоклавах, при длительном нахождении в воздушной среде подвергаются воздействию углекислоты воздуха. При этом вначале карбонизируется несвязанный гидроксид кальция (если он остается после автоклавной обработки), а затем и оксид кальция, входящий в состав гидросиликатов. Одновременно происходит разложение гидросиликатов с выделением кремнезема. Прочность изделий при этом либо не меняется, либо даже повышается

Следует отметить, что гидросиликаты, приближающиеся по составу к двухосновным, обеспечивают повышенную долговечность известково-песчаных автоклавных изделий (при их службе в воздушной среде).

 Известково-кремнеземистые материалы автоклавного твердения повсеместно применяются в СССР при производстве разнообразных  строительных   изделий — от  силикатного кирпича до крупных блоков и панелей. По производству силикатного кирпича СССР стоит на первом месте в мире (около 15 млрд. шт. в год). В больших количествах выпускаются также силикатобетонные, в том числе армированные сталью, блоки и панели из извест-ково-песчаных мелкозернистых бетонов, что особенно важно для районов, бедных крупным заполнителем. Широко развито и изготовление теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструктивных крупных изделий из ячеистых бетонов средней плотностью 300—800 кг/м3.

Распространение исходного сырья, низкая стоимость, а также высокомеханизированные процессы производства с автоклавной обработкой и циклом изготовления изделий 8—12 ч (что пока недостижимо при других методах производства) обусловливают пониженную стоимость получаемой продукции. Стоимость силикатобетонных изделий, в том числе крупных армированных, обычно на 15—20 % меньше стоимости бетонных на основе цемента, Строительные же их качества равноценны. Капиталовложения на "организацию производства силикатобетонных изделий примерно на 10 % меньше капиталовложений в производство железобетонных изделий. В ближайшие годы предстоит дальнейшее увеличение производства крупноразмерных изделий и конструкций, технология которых впервые разработана в СССР.

47.Асбестоцементные материалы образуют важную разновидность ИСК, применяемых в кровле (шифер), в виде стеновых панелей, труб и декоративных изделий.

Для изготовления асбестоцементных изделий применяют три основных компонента: цемент и воду, формирующие вяжущую часть этих конгломератных материалов; асбест, который служит активным заполняющим компонентом. Он успешно выполняет функции армирования цементного камня — матрицы в этом ИСК. Состав и структура асбестоцемента обеспечивают изделиям в несколько раз большую прочность при растяжении и изгибе, чем их имеют цементный камень или цементный бетон. Имеются и другие положительные качественные характеристики у этого конгломе­ратного материала: повышенная сопротивляемость ударным нагрузкам, возможность выбора окраски изделий по желанию за­казчика, сравнительно малая масса стеновых панелей при исполь­зовании теплозащитных вкладышей, высокие теплофизические характеристики, высокая огнестойкость. Поэтому продукция асбестоцементной промышленности пользуется у строителей большим спросом. Кроме традиционного шифера и труб в строительстве широко применяют вентиляционные короба, электроизоляционные доски, изделия «малых форм» — подоконники, оконные сливы и др.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛАХ

На действующих асбестоцементных заводах в качестве вяжуще­го используют клинкерный портландцемент марок 400 и 500. В нем не допускается содержание добавок, кроме гипса. Количество трехкальциевого силиката (алита) должно быть не менее 52%, трехкальциевого алюмината — не более 8%, свободной извести — не более 1% (по массе). При автоклавном способе обработки изделий может применяться также песчанистый портландцемент, оптимальное со­держание кварцевого тонкоизмельченного песка в котором зависит от количества трехкальциевого силиката в клинкере. С повышением содержания C3S в клинкере портландцемента увеличивается количе­ство песка. Так, при выработке цемента с алитовым клинкером со­держание песка доводится до 45%, а при белитовом клинкере — до 30—35%. Качество добавляемого песка регулируется — должно быть не менее 87% SiO2 и не более 3% оксидов калия и натрия, а ко­личество пылевидных, илистых и глинистых примесей не должно превышать 10%, в том числе не более 3—5% глинистых частиц раз­мером менее 0,005 мм. Для производства облицовочных изделий применяют белый и цветной портландцемент.

В производстве асбестоцементных изделий в нашей стране в основном используют хризотил-асбест. Он извлекается из серпентиновых пород, в которых расположен в виде жил. Среди крупнейших месторождений следует отметить Баженовское (Урал). Хризотил-ас­бест является водным силикатом магния — 3MgO·2SiO·2H2O. В нем почти всегда встречаются посторонние примеси — закисное железо, карбонаты, сульфаты и сульфиды. По структуре асбест — кристаллический минерал с ярко выраженным волокнистым строе­нием. Каждое кристаллическое волокно хризотил-асбеста состоит, в свою очередь, из огромного числа параллельно расположенных тон­чайших элементарных кристаллов — волоконец (фибрилл). В технологии асбестоцемента пользуются механическим распушением асбе­ста до разной степени тонкости волокон. Хризотил-асбест имеет высокую прочность на разрыв по оси волокнистости (до 26,0— 35,0 МПа) и достаточно высокую эластичность, хотя имеются также ломкие (хрупкие) разновидности, с пониженной прочностью на раз­рыв. По данным П.Н. Соколова, средние величины модулей упруго­сти волокон хризотил-асбеста колеблются в пределах от 15,8 • 10⁴до 21 • 10⁴МПа. Волокна асбеста имеют поверхностный слой из гидроксильных групп, соединенных со смежным внутренним слоем из ионов магния, что придает поверхности высокую адсорбционную способность, а с водой легко образуют суспензию. Но количество адсорбированной воды на поверхности волокон асбеста сравнитель­но невелико — до 1,5—2,0%, поэтому при дозировании асбеста этой величиной обычно пренебрегают. Теплопроводность распушенного асбеста составляет 0,05—0,075 Вт/(мК) в зависимости от его сред­ней плотности, колеблющейся от 35 до 250 кг/м³. Асбест обладает разной длиной волокон — от долей миллиметра до 40 мм. По сред­ней длине волокна и содержанию пыли асбест разделяют на сорта: средняя длина повышается от низшей марки 8-го сорта к высшей марке нулевого сорта.

Для производства асбестоцементных изделий применяют 3, 4, 5 и 6-й сорта асбеста. Более низкие сорта (7-й и 8-й) содержат очень короткие волокна (короче 1 мм), много пыли и «гали» (мелкие ку­ски руды и породы), что снижает армирующие свойства асбеста, поэтому от их применения воздерживаются. Кроме сортности ас­бест разделяют по маркам. Каждому сорту соответствует несколь­ко марок, отличающихся либо текстурой (полужесткая и мягкая в зависимости от степени расщепления или распущенности волокон в процессе обогащения), либо минимальным остатком (%) на верх­нем сите специального контрольного аппарата. Чем выше сорт ас­беста и жестче его текстура, тем выше качество изделий. Так, на­пример, 3-му сорту по текстуре соответствуют три марки асбеста с полужесткой текстурой (П-3-70; П-3-60; П-3-50) и две марки с мяг­кой текстурой (М-3-70; М-3-60); 5-му сорту соответствуют четыре марки асбеста с полужесткой и четыре марки асбеста с мягкой тек­стурами и т. д.

Вода, используемая для распушки асбеста, промывочных работ и тем более для затворения цемента должна быть свободной от гли­нистых примесей, органических веществ или продуктов их разложе­ния, минеральных солей. Ее температура в технологическом цикле обычно составляет 30—40°С. Нередко используют рекуперациовную воду, которая участвовала в предыдущих циклах технологиче­ского процесса. Ее отбирают из нижней части рекуператоров. В ней ограничивают содержание взвешенных веществ (например, не более 100 мг/л), величину рН (не менее 8,5).

Кроме трех основных компонентов в производстве асбестоцементных изделий применяют добавочные вещества — пластифици­рующие, уплотняющие, гидрофобизирующие и др., а также пигмен­ты для придания изделию определенной окраски. Особенно важно добавлять вещества, повышающие фильтруемость суспензии на ста­дии формования листов.