Aggregate for general purpose concrete based on silicate sodium composition

Full Text

Среди современных эффективных строительных материалов керамзит занимает особое место. Объясняется это сочетанием легкости, прочности и долговечности керамзита и изделий на его основе.

Низкая плотность керамзита объясняется высокопоризованной структурой, образующейся при термическом вспучивании специальных глин. Прочность и долговечность являются свойствами керамической основы материала.

Область применения керамзита весьма широка – от жилищного строительства до изготовления специальных конструкций путепроводов и мостов.

Довольно широко используется керамзит и в дорожном строительстве, как в виде керамзитобетонных конструкций, так и в качестве «мягких подушек», незаменимых при слабых грунтах, склонных к проседанию. Особо отмечается способность керамзита нивелировать разницу в температурных колебаниях, что помогает избежать замерзания и оттаивания дорожного полотна, а следовательно, и его обледенения.

К немногочисленным, но существенным недостаткам керамзита можно отнести:

• использование специальных легковспучивающихся глин, месторождения которых уникальны и исчерпаемы;
• высокие (порядка 1200–1250 °С) температуры обжига сырца и связанное с этим сложное и дорогостоящее оборудование.

Целью работы, результаты которой изложены в данной статье, являлась разработка технологии производства пористого заполнителя, сравнимого по своим характеристикам с керамзитовым гравием, но не имеющего недостатков, отмеченных выше.

Одним из эффективных способов создания высокопористой структуры является термическая обработка «растворимого» стекла. По своему составу «растворимое» стекло является концентрированным раствором гидросиликата натрия. Установлено, что гидросиликат натрия уже при температуре 250–300 °С интенсивно вспучивается, увеличивая объем в 50–70 раз [1, 2]. Это свойство делает жидкое стекло пригодным для производства теплоизоляционных изделий. Недостатком получаемого высокопористого материала являются его низкие прочность и водостойкость. Поэтому актуальным направлением является создание технологии получения технологичных высокопористых структур на основе жидкого стекла. Над решением этой проблемы работают многие научные коллективы [3–16].

Авторами была выдвинута гипотеза о возможности создания на основе модифицированного растворимого стекла высокопористых материалов, структурно аналогичных керамзиту, которые могут быть использованы в качестве легких заполнителей.

Для решения данной проблемы была изучена возможность создания композиций на основе гидросиликата натрия с добавлением различных минеральных компонентов. Итогом исследований является разработанная технология производства пористого заполнителя на основе модифицированного хлоридом натрия гидросиликата натрия с добавлением монтмориллонитовой глины, месторождения которой широко распространены, в частности, и в Среднем Поволжье.

Технология заключается в изготовлении гомогенной сырьевой смеси из указанных выше компонентов, грануляции полученной массы и ее термообработки при температуре 250–300 °С.

В результате термообработки сырцовых гранул получен материал плотностью 450–550 кг/м³.

Испытания полученного гранулированного материала при сдавливании в цилиндре показали его достаточную прочность при сжатии – 0,84 МПа. Недостатком материала является низкая водостойкость – потери прочности в насыщенном водой состоянии составили 65 %.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что улучшить эксплуатационные характеристики полученного гранулированного материала можно путем его термообработки при температурах 850–900 °С.

После такой термообработки не только увеличивается прочность материала при сжатии, но значительно возрастает водостойкость – потери прочности в насыщенном водой состоянии составляли 14,5 %, что позволяет считать данный материал водостойким. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Основные характеристики гранулированного материала

Показатель	После вспучивания при ٢٥٠ °С	После термообработки при ٨٥٠ °С
Насыпная плотность, кг/м3	455	480
Состояние поверхности	Плотная корочка	Плотная корочка
Структура	Пористая	Пористая
Прочность, МПа	0,84	1,25
Водостойкость, потери прочности в насыщенном водой состоянии, %	65	14,5

 

Достаточно высокая прочность объясняется наличием плотной и прочной корочки на поверхности гранул.

Водостойкость материала возрастает вследствие появления при обжиге низкоплавких эвтектик, возникающих за счет образования соединений натрийсодержащих компонентов, а также керамических новообразований.

Испытания показали возможность получения по разработанной технологии материала с различным размером гранул, начиная от 2 мм, что позволяет использовать его в качестве дефицитного мелкого пористого заполнителя (рис. 1).

 

Рис. 1. Гранулы после обжига при 850 °С

 

Указанные характеристики разработанного гранулированного материала позволили сделать заключение о возможности использования его как в качестве засыпного материала, так и в качестве пористого заполнителя для производства легких бетонов [17].

Для подтверждения этой гипотезы были проведены эксперименты, в ходе которых полученный гранулированный материал был использован в качестве заполнителя для изготовления бетона с различным расходом портландцемента.

Полученные бетоны имели следующие характеристики:

расход портландцемента, на 1 м³ бетона – 200–250 кг;

плотность бетонов – 690–770 кг/м³;

прочность при сжатии на 28-е сутки твердения – 3.8–5,0 МПа.

Проведенные микроскопические исследования состояния контактной зоны «поверхность заполнителя – цементно-песчанный камень» в условиях многократного увлажнения и высушивания показали, что после 50 циклов «увлажнения-высушивания» бетонных образцов состояние контакта не имело видимых дефектов (рис. 2), что свидетельствует о высокой прочности и долговечности материала.

 

Рис. 2. Состояние контактной зоны «гранула заполнителя – цементно-песчанный камень» после 50 циклов «увлажнение–высушивание»

 

С другой стороны, технология производства трехслойных наружных стеновых панелей сопряжена со значительным усложнением процесса формования изделий, а также с использованием высокоэффективных дорогостоящих теплоизоляционных материалов. При таких условиях очевидным будет изыскание новых способов улучшения теплоизоляционных характеристик однослойных конструкций.

На сегодняшний день в нашей стране созданы предприятия по производству легких заполнителей, в том числе и керамзитового гравия. Легкие заполнители широко используются на заводах сборного железобетона для изготовления стеновых панелей.

Стеновые панели из керамзитобетона являются паропроницаемыми и обеспечивают здоровый микроклимат в помещениях жилых и общественных зданий и сооружений. В таких зданиях отпадает необходимость в устройстве специальных систем кондиционирования воздуха.

Одним из направлений повышения эффективности стеновых панелей является уменьшение плотности легкого бетона в однослойных панелях наружных стен.

Уменьшение плотности и теплопроводности легкого бетона может быть достигнуто за счет снижения плотности крупного заполнителя и путем поризации цементного камня.

Такой подход позволит обеспечить получение легкого бетона слитной структуры с проектными строительно-технологическими свойствами.

Процесс приготовления бетонной смеси производится в следующей последовательности: сначала осуществляется загрузка в смеситель заполнителя, цемента и воды, а затем после предварительного перемешивания смеси в смеситель добавляют раствор пенообразователя и перемешивают смесь до готовности. При перемешивании смеси происходит насыщение цементного теста замкнутыми воздушными порами, что приводит к снижению средней плотности и повышению термического сопротивления наружной стеновой панели.

У бетонной смеси с вовлеченным воздухом улучшаются показатели удобоукладываемости и снижается склонность к расслаиваемости и водоотделению в процессе формования стеновых панелей.

Основные показатели легкого бетона с поризованным цементным камнем, приготовленного на портландцементе ПЦ М400 и керамзитовом гравии с маркой по насыпной плотности М400, приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Основные показатели легкого бетона

Показатель	Величина показателя для легких бетонов проектной марки (класса) по прочности
	М٣٥ (В2,5)	М٥٠ (В٣,٥)	М٧٥ (В٥)
Расход цемента, кг/м3	280	350	400
Расход пенообразователя, ٪ от массы цемента	1,8–2,0	1,3–1,7	0,8–1,2
Объем вовлеченного воздуха, ٪	10–12	8–10	7–9

 

Наличие в бетоне разобщенных замкнутых мелких сферообразных пор обеспечивает его достаточную водонепроницаемость и морозостойкость при пониженной гигроскопичности.

Для улучшения стабильности свойств бетонной смеси и повышения устойчивости пены в водный раствор пенообразователя вводят различные стабилизаторы, например эмульсии на основе водорастворимых полимерных смол.

С целью экономии цемента в поризованный бетон вводятся высокодисперсные минеральные компоненты, например отходы производства – золы сухого удаления от горения низкокальциевых каменных углей на тепловых электростанциях.

Стены из поризованного легкого бетона следует облицовывать наружным и внутренним отделочными слоями, например из цементно-песчаного раствора.

Практика эксплуатации таких стен показала, что они обеспечивают нормативное термическое сопротивление и эффективное и экономное расходование энергетических ресурсов на отопление зданий.

Практика применения данного бетона позволила выявить ряд проблем, которые требуют проведения дополнительных исследований.

Опыт внедрения поризованного легкого бетона позволил сформулировать ряд задач, требующих проведения дополнительных исследований:

• высокий коэффициент вариации прочности поризованного бетона;
• невысокая стабильность вспененной массы по средней плотности во времени, а следовательно, неоднородность теплозащитных свойств бетона;
• отсутствие экспресс-методов оценки степени поризации смеси в процессе ее приготовления.

Несмотря на эти недостатки, поризованный легкий бетон обладает рядом существенных преимуществ, которые обусловливают его широкое применение в строительстве.

Выводы.

1. Разработана композиция, включающая гидросиликат натрия, хлорид натрия и монтмориллонитовую глину, на основе которой получен гранулированный материал, по эксплуатационным характеристикам не уступающий керамзитовому гравию такой же плотности, но имеющий более низкую температуру производства (ниже почти на 300–350 °С), не требующий использования дефицитной легковспучивающейся глины.
2. Применение полученного гранулированного материала возможно как в качестве пористого заполнителя общестроительных легких бетонов, так и в виде теплоизоляционных засыпок.
3. Поризованные легкие бетоны слитной структуры без мелкого заполнителя позволяют:

а) полностью отказаться от применения мелкого заполнителя;

б) значительно снизить плотность и соответственно теплопроводность бетона;

в) уменьшить водосодержание и соответственно отпускную влажность изделий;

г) улучшить связность и удобоукладываемость смеси и добиться ряда других преимуществ.

About the authors

Anna Yu. Zhigulina

Samara State Technical University

Email: auzhigulina@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Production of Building Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, Samara; Samara

Alexandr G. Chiknovaryan

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: umu-sgasu@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Production of Building Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, Samara; Samara

References

Supplementary files