Силикатные изделия автоклавного твердения. Материалы на основе извести (силикатные изделия) Классификация и виды силикатных материалов

АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

7.1 Общие сведения и классификация

Силикатными называются искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из извести, кремнеземистых составляющих и воды, затвердевших в результате автоклавной тепловлажностной обработки. Сущность автоклавного твердения состоит в следующем. Изделия на основе извести в нормальных условиях имеют небольшую прочность. Набор ее происходит исключительно за счет твердения извести. В среде насыщенного пара при температуре 174,5–200 °С и давлении 0,8–1,5 МПа кремнезем приобретает активность и взаимодействует с известью по схеме

Ca (OH) 2 SiO 2 + (n – 1) H 2 O → CaO SiO 2 n H 2 O.

Образуется гидросиликат кальция – вещество высокой прочности и водостойкости. Запаривание изделий выполняется в автоклавах.

Способ изготовления мелких камней из известково-песчаной смеси с последующей автоклавной обработкой был предложен немецким ученым В. Михаэлисом в 1880 г. Большой вклад в разработку технологии изготовления и применения силикатных материалов внесли П. И. Боженов, А. В. Волженский и другие ученые.

К группе силикатных материалов и изделий относят бетоны и изделия из них, кирпич и камни силикатные.

7.2 Силикатные бетоны и изделия из них

Силикатные бетоны подразделяются на плотные и легкие ячеистые. Основным сырьем для плотных бетонов служат известь и кварцевый песок. Рекомендуется применять быстрогасящуюся кальциевую известь с активностью более 70 %. Лучшим является песок с шероховатой поверхностью.

Для повышения прочности бетона применяют известково-кре-мнеземистое вяжущее, получаемое совместным помолом негашеной извести и кварцевого песка до удельной поверхности 3000–5000 см²/г, взятых в соотношении от 30: 70 до 50: 50 %.

Тонкомолотый песок оказывает большое влияние на свойства бетонов. С возрастанием его дисперсности повышаются прочность, морозостойкость изделий.

В качестве кремнеземистого компонента вместо кварцевого песка могут применяться кварцево-полевошпатовые пески, металлургические шлаки, золы ТЭС, нефелиновый шлам, отходы производства аглопорита, керамзита.

Вода не должна содержать вредных примесей.

Силикатные бетоны могут изготавливаться мелкозернистыми только на природных и дробленых песках и с применением крупных плотных или пористых заполнителей с размером зерен не более 20 мм.

В качестве заполнителей рекомендуется применять щебень из доменного шлака, щебень и песок аглопоритовые, гравий и песок керамзитовые, щебень и песок пористый из металлургического шлака. К заполнителям предъявляются те же требования, что и для цементного бетона.

Изделия из силикатного бетона изготавливаются чаще всего на оборудовании для изготовления изделий на цементах.

Производство изделий включает следующие технологические операции: приготовление известково-кремнеземистого вяжущего, силикатобетонной смеси, формование изделий и тепловлажностную их обработку в автоклавах.

Измельчение извести с песком до необходимой дисперсности, т.е. получение известково-кремнеземистого вяжущего, производится в шаровых мельницах. Приготавливают смесь в бетоносмесителях принудительного смешивания. Основной способ формования изделий – вибрирование. Тепловлажностную обработку силикатных изделий выполняют в автоклавах, которые представляют собой цилиндрические горизонтальные сосуды диаметром 2,0–3,6 и длиной 19–40 метров, закрываемые герметически крышками. По длине автоклава проложены рельсы, по которым загружаются вагонетки с изделиями. Автоклав оборудован магистралями для впуска и выпуска насыщенного пара. После загрузки автоклава крышки закрывают и впускают пар по определенному режиму. Температура пропаривания составляет 174,5–200 °С, давление, как правило, – 0,8–1,3 МПа. Общее время тепловлажностной обработки – 8–17 часов.

Плотные силикатные бетоны по прочности на сжатие подразделяются на классы от В5 до В60; на марки: по морозостойкости от F35 до F600, по водонепроницаемости от W2 до W10, по средней плотности от Пл 1000 до Пл 2400.

Из плотного силикатного бетона изготавливают железобетонные плиты для покрытия городских дорог, трамвайных путей, тротуарные плитки, бортовые камни, несущие армированные конструкции для промышленного и гражданского строительства, которые успешно заменяют конструкции из цементного железобетона. Имеется опыт применения тяжелых силикатных бетонов для изготовления шпал с предварительно напряженной арматурой, тюбингов для тоннелей.

Арматурная сталь в конструкциях, эксплуатируемых при относительной влажности воздуха до 60 % , не корродирует. При повышенной влажности среды арматуру необходимо защищать от коррозии.

Силикатные бетоны на пористых заполнителях – керамзите, аглопорите, шлаковой пемзе и других применяются для изготовления ограждающих конструкций зданий.

Технология пр-ва силикатных изделий автоклавного твердения

При смешивании возд извести с кварцевым песком и водой получают стр-ный р-р, который твердеет при обычных условиях очень медленно. Так как песок в обычных условиях химически инертен.

Силикатные бетоны , как и цементные, могут быть тяжелыми (заполнители плотные - песок и щебень или песчано-гравийная смесь), легкими (заполнители пористые - керамзит, вспученный перлит, аглопорит и др.) и ячеистыми (заполнителем служат пузырьки воздуха, равномерно распределенные в объеме изде­лия).

Вяжущим в силикатном бетоне является тонкомолотая известково-кремнеземистая смесь - известково-кремнеземистое вя­жущее, способное при затворении водой в процессе тепловлаж-ностной обработки в автоклаве образовывать высокопрочный искусственный камень.

В качестве кремнеземистого компонента применяют молотый кварцевый песок, металлургические (главным образом домен­ные) шлаки, золы ТЭЦ. Кремнеземистый компонент (тонкомо­лотый песок) оказывает большое влияние на формирование свойств силикатных бетонов. Так, с возрастанием дисперсности частиц молотого песка повышаются прочность, морозостойкость и другие свойства силикатных материалов.

С увеличением тонкости помола песка повышается относи­тельное содержание СаО в смеси вяжущего до тех пор, пока содержание активной СаО обеспечивает возможность связыва­ния ее во время автоклавной обработки имеющимся песком в ннзкооснбвные гидросиликаты кальция.

Автоклавная обработка - последняя и самая важная стад Ия производства силикатных изделий. В автоклаве происходи сложные процессы превращения исходной, уложенной и уплот­ненной силикатобетонной смеси в прочные изделия разной плот­ности,- формы и назначения. В настоящее время выпускаются автоклавы диаметром 2,6 и 3,6 м, длиной 20...30 и 40 м. Как изложено выше, автоклав представляет собой цилиндрический горизонтальный сварной сосуд (котел) с герметически закры­вающимися с торцов сферическими крышками. Котел имеет манометр, показывающий давление пара, и предохранительный клапан, автоматически открывающийся при повышении в котле давления выше предельного. В нижней части автоклава уложены рельсы, по которым передвигаются загружаемые в автоклав вагонетки с изделиями. Автоклавы оборудованы траверсными путями с передаточными тележками - электромостами для за­грузки и выгрузки вагонеток и устройствами для автоматиче­ского контроля и управления режимом автоклавной обработки. Для уменьшения теплопотерь в окружающее пространство по­верхность автоклава и всех паропроводов покрывают слоем теплоизоляции. Применяют тупиковые или проходные автоклавы. Автоклавы оборудованы магистралями для выпуска насыщенно­го пара, перепуска отработавшего пара в другой автоклав, в атмосферу, утилизатор и для конденсатоотвода.

После загрузки автоклава крышку закрывают и в него медлен­но и равномерно впускают насыщенный пар. Автоклавная обра­ботка является наиболее эффективным средством ускорения твердения бетона. Высокие температуры при наличии в обраба­тываемом бетоне воды в капельно-жидком состоянии создают благоприятные условия для химического взаимодействия между гидратом оксида кальция и кремнеземом с образованием основ­ного цементирующего вещества - гидросиликатов кальция.

Весь цикл автоклавной обработки (по данным проф. П. И. Бо-женова) условно делится на пять этапов: 1 -от начала впуска пара до установления в автоклаве температуры 100 °С; 2 - по­вышение температуры среды и давления пара до назначенного минимума; 3 - изотермическая выдержка при максимальном давлении и температуре; 4 - снижение давления до атмосфер­ного, температуры до 100 °С; 5 - период постепенного остыва­ния изделий от 100 до 18...20 °С либо в автоклаве, либо после выгрузки их из автоклава.

Прочность силикатного бетона при сжатии, изгибе и растяже­нии, деформативные свойства, сцепление с арматурой обеспечи­вают одинаковую несущую способность конструкций из силикат­ного и цементного бетона при одинаковых их размерах и степени армирования. Поэтому силикатный бетон можно использовать для армированных и предварительно напряженных конструкций, что ставит его в один ряд с цементным бетоном.

Из плотных силикатных бетонов изготовляют несущие конст­рукции для жилищного, промышленного и сельского строитель­ства: панели внутренних стен и перекрытий, лестничные марши и площадки, балки, прогоны и колонны, карнизные плиты и т. д. В последнее время тяжелые силикатные бетоны применяют для изготовления таких высокопрочных изделий, как прессованный безасбестовый шифер, напряженно-армированные силикатобе-тонные железнодорожные шпалы, армированные силикатобетон-ные тюбинги для отделки туннелей метро и для шахтного строи­тельства (бетон прочностью 60 МПа и более).

Коррозия арматуры в силикатном бетоне зависит от плот­ности бетона и условий службы конструкций; при нормальном режиме эксплуатации сооружений арматура в плотном силикат­ном бетоне не корродирует. При влажном и переменном режимах эксплуатации в конструкциях из плотного силикатного бетона арматуру необходимо защищать антикоррозионными обмазками.

Силикатный бетон на пористых заполнителях - новый вид легкого бетона. Твердение его происходит в автоклавах. Вяжу-Щие для этих бетонов применяют те же, что и для плотных силикатных бетонов, а заполнителями служат пористые заполни­тели: керамзит, вспученный перлит, аглопорит, шлаковая пемза

Силикатный кирпич

Силикатный кирпич по своей форме, размерам и основному назначению не отличается от керамического кирпича (см. гл. 3). Материалами для изготовления силикатного кирпича являются воздушная известь и кварцевый песок. Известь применяют в ви­де молотой негашеной, частично загашенной или гашеной гид-ратной. Известь должна характеризоваться быстрым гашением и не должна содержать более 5% MgO. Пережог замедляет скорость гашения извести и даже вызывает появление в изделиях трещин, вспучиваний и других дефектов, поэтому для производ­ства автоклавных силикатных изделий известь не должна содер­жать пережога

Кварцевый песок в производстве силикатных из­делий применяют немолотый или в виде смеси немолотого и тон­комолотого, а также грубомолотого с содержанием кремнезема не менее 70%. Наличие примесей в песке отрицательно влияет на качество изделий: слюда понижает прочность, и ее содержа­ние в песке не должно превышать 0,5%; органические примеси вызывают вспучивание и также понижают прочность; содержа­ние в песке сернистых примесей ограничивается до 1 % в пере­счете на SO 3 . Равномерно распределенные глинистые примеси допускаются в количестве не более 10%; они даже несколько повышают удобоукладываемость смеси. Крупные включения гли­ны в песке не допускаются, так как снижают качество изделий. Состав известково-песчаной-смеси для изготовления силикатного Кирпича следующий: 92...95% чистого кварцевого песка, 5...8% воздушной извести и примерно 7% воды.

Производство силикатного кирпича ведут двумя способами: барабанным и силосным, - отличающимися приготовлением из­вестково-песчаной смеси.

При барабанном способе (рис. 8. 6) песок и тонкомолотая Негашеная известь, получаемая измельчением в шаровой мельни­це комовой извести, поступают в отдельные бункера над гасиль­ным барабаном. Из бункеров песок, дозируемый по объему, а известь - по массе, периодически загружаются в гасильный ба­рабан. Последний герметически закрывают и в течение 3...5 мин производят перемешивание сухих материалов. При подаче остро­го пара под давлением 0,15...0,2 МПа происходит гашение извести при непрерывно вращающемся барабане. Процесс гашения извести длится до 40 мин.

При силосном способе предварительно перемешанную и ув­лажненную массу направляют для гашения в силосы. Гашение в силосах происходит 7...12 ч, т.е. в 10...15 раз больше, чем в барабанах, что является существенным недостатком силосного способа. Хорошо загашенную в барабане или силосе известково-песчаную массу подают в лопастный смеситель или на бегуны для дополнительного увлажнения и перемешивания и далее на прессование. Прессование кирпича производят на механических прессах под давлением до 15...20 МПа, обеспечивающим получе­ние плотного и прочного кирпича. Отформованный сырец укла­дывают на вагонетку, которую направляют в автоклав для твер­дения.

Автоклав представляет собой стальной цилиндр диаметром 2 м и более, длиной до 20 м, с торцов герметически закрываю­щийся крышками (рис. 8. 7). С повышением температуры уско­ряется реакция между известью и песком, и при температуре 174 °С она протекает в течение 8... 10 ч. Быстрое твердение про­исходит не только при высокой температуре, до и высокой влаж­ности, для этого в автоклав пускают пар давлением до 0,8 МПа и это давление выдерживают 6...8 ч. Давление пара поднимают и снижают в течение 1,5 ч. Цикл запаривания продолжает* 10... 14 ч. Я

Под действием высокой температуры и влажности происходи химическая реакция между известью и кремнеземом. Образующиеся в результате реакции гидросиликаты срастаются с зернами песка в прочный камень. Однако твердение силикатного кип. пича на этом не прекращается, а продолжается после запарива­ния. Часть извести, вступившей в химическое взаимодействие с кремнеземом песка, реагирует с углекислотой воздуха, образуя прочный углекислый кальций по уравнению

Са (ОН) 2 + СО 2 = СаСОз + Н 2 О

Силикатный кирпич выпускают размером 250 X 120Х 65 мм, марок 75, 100, 125, 150, 200, 250 и 300, водопоглощением 8... 16%," теплопроводностью 0,70...0,75 Вт/(м-°С), плотностью свыше 1650 кг/м 3 - несколько выше, чем плотность керамического кир­пича; морозостойкостью F15. Теплоизоляционные качества стен из силикатного кирпича и керамического практически равны.

Применяют силикатный кирпич так же, где и керамический, но с некоторыми ограничениями. Нельзя применять силикатный кирпич для кладки фундаментов и цоколей, так как ои менее водостоек, а также для кладки печей и дымовый труб, так как при длительном воздействии высокой температуры происходит дегидратация гидросиликата кальция и гидрата оксида, кальция, которые связывают зерна песка, и кирпич разрушается.

По технико-экономическим показателям силикатный кирпич превосходит керамический. На его производство требуется в 2 раза меньше топлива, в 3 раза меньше электроэнергии, в 2,5 раза меньше трудоемкости производства; в конечном итоге себестоимость силикатного кирпича оказывается на 25...35% ниже, чем керамического.

Силикатные, гипсовые и асбоцементные материалы относятся к безобжиговым изделиям и составляют значительную группу строительных материалов из искусственного камня.

Силикатный кирпич. Материалами для изготовления силикатного кирпича являются чистый кварцевый песок (92 - 95%), воздушная известь (5 - 8%) и вода (около 7%) . Кварцевый песок в производстве силикатного кирпича применяют немолотый или в виде сме­си немолотого и молотого. Допускаются равномерно распределённые глинистые примеси в количестве не более 10%. При таком содержании они несколько повышают удобоукладываемость смеси. Крупные включения глины в песке не допускаются.

Силикатный кирпич изготавливают путем прессования смеси под давлением 15-20МПа с последующим пропариванием в автоклаве под давлением 0,8МПа и температуре 174 о С в течении 6-8 часов. Давление плавно поднимают и снижают. Длительность процесса 10-14 часов.

Этот строительный материал по своей форме, размерам и основному назначению не отличаются от глиняного кирпича. Теплоизоляционные качества стен из силикатного и керамического кирпича практически равны, водо-, морозо- и огнестойкость меньше. Морозостойкость М рз -15циклов. Его нельзя использовать для кладки фундаментов, цоколей, наружных стен, помещений с высокой влажностью воздуха, а также для кладки печей. Себестоимость силикатного кирпича на 25…35% ниже, чем керамического.

Кроме силикатного кирпича таким же способом изготовляют золосиликатный (зольный) кирпич, в нём частично или целиком песок заменён золой топлива. Этот кирпич легче силикатного и имеет более низкую теплопроводность. По прочности и стойкости зольный кирпич ус­тупает силикатному. Применяют зольный кирпич для возведения кладки стен зданий малой этажности (до трёх этажей), а также для стен верхних этажей многоэтажных зданий.

Крупноразмерные изделия из силикатного бетона. Силикатным бето­ном называют затвердевшую в автоклаве уплотнённую смесь, состоя­щую из кварцевого песка (70 - 80%), молотого песка (8-15%) и молотой негашеной извести (6 - 10%). Из силикатного бетона маркой не ниже М-150, с при­менением тепловлажностной обработки в автоклаве, изготовляют круп­ные стеновые блоки внутренних несущих стен, панели перекрытий и несу­щих перегородок, ступени, плиты, балки. Элементы, работающие на из­гиб, армируют стержнями и сетками.

Минеральные вяжущие вещества

Минеральные вяжущие вещества получают путем обжига в печах природных каменных материалов (известняка гипса, ангидрита, доломита, магнезита). Куски полученные после обжига, путем помола превращаются в тонкий порошок. Чем меньше размер зерен после помола, тем выше активность вяжущего. Вяжущие вещества при смешивании с водой способны переходить из жидкого (тестообразного) в камневидное состояние.

Вяжущие вещества делятся на две группы:

Воздушные вяжущие вещества, способные твердеть и длительно сохранять свою проч­ность только на воздухе, во влажных условиях они снижают или теряют прочность.

Гидравлические вяжущие вещества, твердеют и длительно сохраняют свою проч­ность не только на воздухе, но и в воде. В отличии от воздушных они имеют более высокую прочность, поэтому шире применяются в строительстве.

К воздушным вяжущим веществам относятся: воздушная известь, гип­совые вяжущие, магнезиальные вяжущие и жидкое (растворимое) стекло. К гидравлическим вяжущим относятся: гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности.

Вяжущие вещества широко применяются в строительстве для изготов­ления строительных растворов, бетонов, бетонных и железобетонных из­делий.

Кирпичная и каменная кладки, бетон были известны человечеству ещё в доисторические времена, до изобретения им вяжущих веществ. Взамен вяжущих применялось пластическое глиняное тесто, которое, высыхая, превращалось в камнеподобный материал. Так как между глиной и водой никаких химических реакций не протекает, то высохшая и окаменевшая глина под действием воды может снова размокнуть и потерять прочность и связанность. В сухом климате или в условиях, исключающих увлажне­ние, глиняное тесто и в настоящее время используется как заменитель вя­жущих. В наше время глиняные растворы применяются при кладке печей и возведения стен зданий в сухом климате.

Воздушная известь. Строительную воздушную известь получают путем обжига при температуре 1000-1200 о С известняков или других горных пород, содержащих углекислый кальций. На строительство известь поступает в виде кусков белого или серого цвета(комовая известь или кипелка). Негашеная известь химически соединяется с водой и образует гашеную (гидратную) известь. При гашении ограниченным количеством воды известь распадается, образуя тонкий порошок, называемый пушонкой. При большом количестве воды образуется известковое тесто. Известь применяют для приготовления строительных раство­ров, в производстве известково-пуццолановых вяжущих, для изготовления силикатного кирпича, силикатных и пеносиликатных изделий, шлакобе­тонных блоков, а также в качестве покрасочных составов. Существенный недостаток воздушной извести – невысокая прочность и малая стойкость во влажных условиях.

Строительный гипс (алебастр) получают путем обжига природного гипсового камня с последующим размолом в тонкий порошок. В зависимости от тонкости помола и прочности строительный гипс делится на три сорта марок 35, 45, 55. Стро­ительныйгипс применяют для изготовления стеновых панелей, плит и кам­ней для внутренних перегородок зданий, сухой штукатурки, архитектурно-отделочных деталей. Гипсовые вяжущие вещества применяются в виде гипсового теста в кладочных и штукатурных растворах, бетонах, производ­стве теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий. По пределу прочности на сжатие гипсовые вяжу­щие вещества делятся на четыре марки: 50,100, 150,200 . При воздействии влаги прочность затвердевшего гипса значительно снижается, поэтому его применяют в помещениях с влажностью до 60%.

Ma гнезиальные вяжущие. Различают два вида магнезиальных вяжу­щих - каустический магнезит и каустический доломит. Применяют магне­зиальные вяжущие для изготовления бесшовных ксилолитовых полов, пе­регородочных плит, плит для облицовки стен, а также ступеней и теплоизо­ляционныхизделий и т. п.

Растворимое (жидкое) стекло. Растворимое стекло представляет собой калиевый или натриевый силикат. Натриевое жидкое стекло используется для приготовления кислотоупорного цемента, огнезащитных красок и об­мазок, для закрепления (силикатизации) фунтов, защиты природных ка­менных материалов.

Портландцемент. Является важнейшим гидравлическим вяжущим ве­ществом. Его выпуск составляет около 80% от выпуска всех вяжущих. Высокая прочность, способность быстро твердеть на воздухе и в воде, относительно низкая стоимость сделали портландцемент самым рас­пространённым вяжущим. Его применяют для изготовления бетонных и железобетон­ных конструкций, для строительных растворов высокой прочности. Сырьем для портландцемента служат природные ископаемые – мергеля или смесь из 73% известняка, 25% глины, 2% гипса. Размолотое сырье обжигают и производят помол спекшейся смеси – клинкера в тонкий порошок. Порошок, затворенный водой, образует тесто, которое быстро твердеет в течение первых трех суток и твердение в основном заканчивается на 28 сутки, достигая марочной прочности. При благоприятных условиях прочность бетона на портландцементе продолжает возрастать и может в 2-3 раза превысить марочную (28-суточную). Нормальные условия твердения – это 15 о С и влажная атмосфера. При 0 о С и ниже тесто замерзает, и прочность не увеличивается. Прочность характеризуется маркой. Марку устанавливают по пределу прочности при изгибе и сжатии образцов в виде брусков из цементного раствора состава 1:3 с водой через 28 суток после изготовления. Выпускают портландцемент марок 300, 400, 500 и 600. Хранить цемент в сухом месте не более 6 месяцев. Портландцемент не рекомендуется применять для конструкций,которые будут подвергаться действию напора морской, минеральной или пресной воды.

Силикатными материалами и изделиями называются необожженные материалы и изделия на основе минеральных вяжущих - асбестоцементные, гипсовые и гипсобетонные, силикатные (на основе извести) и магнезиальные с заполнителями (кварцевым песком, шлаком, золой, пемзой, опилками и т. д.). Области применения их чрезвычайно обширны - от несущих и ограждающих конструкций до отделки зданий и сооружений.

Силикатные изделия получают в результате формования и последующей автоклавной обработки смеси извести или других вяжущих веществ на ее основе, тонкодисперсных кремнеземистых добавок, песка и воды.

Силикатный кирпич - искусственный каменный материал, изготовляемый из смеси кварцевого песка и извести путем прессования под большим давлением и последующего твердения в автоклаве. Исходными материалами являются воздушная известь - 6-8% в расчете на СаО, кварцевый песок - 92-94% и вода - 7-8% по массе сухой смеси.

Существуют две схемы производства силикатного кирпича: силосная и барабанная. По силосной схеме известь, совместно с песком, гасят в силосах в течение 4-8 ч. По барабанной схеме известь, совместно с песком, гасят во вращающихся барабанах с подводом пара под избыточным давлением до 0,5 МПа благодаря чему процесс гашения длится 30-40 мин.

Погашенная смесь извести и песка увлажняется, перемешивается и прессуется под давлением 15-20 МПа, в результате получается сырец, который укладывают на вагонетки и направляют в автоклавы на 10-14 ч для запаривания под давлением насыщенного пара 0,8 МПа (изб.) при температуре около 175 о С. Прочность силикатного кирпича растет в течение некоторого времени и после выгрузки из автоклава (на воздухе).

Силикатный кирпич выпускают двух видов: одинарный (размером 250х120х65 мм) и модульный (размером 250х120х88 мм). Модульный кирпич изготавливают с технологическими пустотами, замкнутыми с одной стороны. Цвет кирпича светло-серый, но он может быть и цветным за счет введения в состав смеси щелочестойких минеральных пигментов.

Благодаря прессованию под большим давлением и отсутствию усадочных явлений размеры силикатного кирпича выдержаны более точно, чем у глиняного. Плотность его несколько выше, чем у керамического кирпича - 1800-1900 кг/м 3 , теплопроводность - 0,82 - 0,87 Вт/(м о С). В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич изготавливают шести марок: 75, 100, 125, 150, 200 и 250. Морозостойкость силикатного кирпича не ниже М рз 15, водопоглощение 8-16% по массе.

Области применения силикатного кирпича такие же, как и керамического кирпича. Однако он не рекомендуется для кладки фундаментов и стен в условиях высокой влажности, так как воздействие грунтовых и сточных вод вызывает его разрушение. Нельзя использовать силикатный кирпич в конструкциях, подверженных действию высоких температур (в печах, дымовых трубах и т. п.).

Силикатными бетонами называют большую группу бетонов автоклавного твердения, получаемых на основе известково-песчаного, известково-зольного или других известково-кремнеземистых вяжущих. Кроме того, в качестве вяжущего могут использовать молотые доменные шлаки.

Плотный мелкозернистый силикатный бетон, в отличие от тяжелого бетона, в своем составе не содержит крупного заполнителя (гравия или щебня). Структура силикатного бетона более однородна, а стоимость значительно ниже.

Прочность его при сжатии колеблется в довольно широких пределах (15-60 МПа) и зависит от состава смеси, режима автоклавной обработки и других факторов. Водостойкость силикатного бетона удовлетворительная. При полном водонасыщении снижение их прочности не превышает 25%. Морозостойкость - 25-50 циклов, а при добавке портландцемента она повышается до 100 циклов.

Из плотного силикатного бетона выполняют крупные стеновые блоки наружных стен с щелевыми пустотами и внутренних несущих стен, панели и плиты перекрытий, колонны, балки и прогоны, лестничные площадки и марши, цокольные блоки и другие армированные изделия.

В легких силикатных бетонах в качестве заполнителей используют керамзит, гранулированный шлак, шлаковую пемзу и другие пористые материалы в виде гравия и щебня. Из легких силикатных бетонов на пористых заполнителях изготовляют блоки и панели наружных стен жилых зданий.

В 1880 г. Немецкий ученый В. Михаэлис изобрел метод, который был использован для производства силикатного (известково-песчаного) кирпича. К началу двадцатого века в России было уже пять заводов, выпускающих силикатный кирпич.

До 50-х годов единственным видом силикатных автоклавных изделий были силикатный кирпич и небольшие камни из ячеистого силикатного бетона. Однако благодаря работам российских ученых впервые в мире было создано производство крупноразмерных силикатобетонных автоклавных изделий для сборного строительства. В настоящие время почти все элементы зданий и сооружений (панели, плиты перекрытий, элементы лестниц и др.) могут быть изготовлены из армированного силикатного бетона, который по своим свойствам почти не уступает железобетонным, а благодаря применению местных сырьевых материалов и промышленных отходов обходится на 15…20% дешевле, чем аналогичные железобетонные элементы на портландцементе.

Сырье для силикатных материалов и изделий

Одним из основных компонентов сырьевой смеси, из которой формуются изделия, служит известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке. Именно поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например шлаки, золы и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким измельчение песка, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси. В качестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п.

Для современного производства силикатного кирпича используют сырьевую смесь, в состав которой входит 90…95% песка, 5…10% молотой негашеной извести и некоторое количество воды.

3. Общая технология получения силикатных материалов

Технология получения силикатных изделий обычно складывается из следующих этапов:
1. Получение сырьевой смеси.
2. Прессование изделий.
3. Обработка в автоклаве изделий.
4. Выдержка готовых изделий.

Производство силикатных строительных материалов базируется на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который осуществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водяного пара давлением 0,8-1,3 МПа и температурой 175-200°С. Для гидротермального синтеза можно использовать при надлежащем обосновании иные параметры автоклавизации, применять обработку не только паром, но и паровоздушной или парогазовой смесью, водой.

В данном производстве большой объем работ составляет процесс получения извести для сырьевой смеси. В технологический процесс производства извести входят следующие операции: добыча известкового камня в карьерах, дробление и сортировка его по фракциям, обжиг в шахтных вращающихся и других печах, дробление или помол комовой извести (получение негашеной извести).
Получение сырьевой смеси осуществляется двумя способами: барабанным и силосным, которые отличаются друг от друга приготовлением известково-песчаной смеси.

Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. В автоклаве в атмосфере насыщенного пара при давлении 0,8-1,3 МПа и температуре 175-200°С кирпич твердеет 8…14ч.

Прочность автоклавных материалов формируется в результате взаимодействия двух процессов: структурообразования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция, и деструкции, обусловленной внутренними напряжениями.

Для снижения внутренних напряжений автоклавную обработку проводят по определенному режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175-200°С и давлении 0,8-1,3 МПа в течение 4-8 ч и снижение давления пара в течение 2-4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8-14 ч получают силикатные изделия.

Из автоклава выгружают почти готовые изделия, которые выдерживают 10…15дней для карбонизации непрореагировавшей извести с углекислым газом воздуха, в результате чего повышается водостойкость и прочность изделий. Температура обработки и общие энергозатраты при производстве силикатного кирпича существенно ниже, чем при производстве керамического, поэтому силикатный кирпич экономически эффективнее.

К числу автоклавных силикатных изделий относят силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, плиты из тяжелого силикатного бетона, панели перекрытий и стеновые, колонны, балки и пр. Легкие заполнители позволяют понизить массу стеновых панелей и других элементов. Силикатные изделия выпускают полнотелыми или облегченными со сквозными или полузамкнутыми пустотами. Особое значение имеют силикатные ячеистые бетоны, заполненные равномерно распределенными воздушными ячейками, или пузырьками. Они могут иметь конструктивное и теплоизоляционное назначение, что обусловливает форму и размеры изделий, их качественные показатели.

Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения представляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистого (силикатного) камня, синтезируемого в процессе автоклавной обработки под действием пара при высокой температуре и повышенном давлении. Одним из основных компонентов сырьевой смеси, из которой формуются изделия, служит известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке.

Именно поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например шлаки, золы ТЭЦ и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким будет измельченный песок, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси. В качестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п. Непременным компонентом во всех смесях выступает вода.

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

П.И. Боженов, отмечая «технический синтез» цементирующей связки в автоклавном конгломерате, состоящей из смеси гидросиликатов, полагает, что химическое сырье должно удовлетворять определенным требованиям. Оно должно быть высокодисперсным с удельной поверхностью порошка в пределах 2000-4000 см2/г, по возможности аморфным, стеклообразным.

Химически активное сырье обеспечивает не только образование цементирующей связки в автоклавном конгломерате, но и ряд технологических свойств сырьевой смеси (формуемость изделий, ровность их поверхности, транспортабельность и др.). Но не только химические и физико-химические процессы влияют на формирование структуры и свойств силикатных материалов при автоклавной обработке. А.В. Волженский первым обратил внимание на изменение тепловлажностных условий при автоклавной обработке и их влияние на качество изделий. В связи с этим было принято выделить три этапа в автоклавной обработке: наполнение автоклава и изделий паром до заданного максимального давления; спуск пара; извлечение изделий из автоклава.

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

Формирование микро- и макроструктуры силикатного изделия в автоклаве происходит на различных стадиях обработки. Механизм отвердевания известково-песчаного сырца до камневидного состояния выражается в том, что вначале образуется известково-кремнеземистое цементирующее вещество как продукт химического взаимодействия основных компонентов в смеси в условиях повышенных давлений и температур.

Согласно одной из теорий (П.П. Будникова, Ю.М. Бутта и др.), образование цементирующего вещества происходит через предварительное растворение извести в воде. Так как растворимость извести с повышением температуры понижается, то постепенно раствор становится насыщенным. Но с повышением температуры возрастает растворимость тонкодисперсного кремнезема. Так, например, с повышением температуры с 80 до 120°С растворимость кремнезема возрастает (по данным Кеннеди) почти в 3 раза. Поэтому при температуре 120-130°С известь и кремнезем, находясь в растворе, взаимодействуют с образованием гелеобразных гидросиликатов кальция. По мере дальнейшего повышения температуры новообразования укрупняются с возникновением зародышей и кристаллической фазы, а затем и кристаллических сростков.

При избытке извести возникают сравнительно крупнокристаллические двуосновные гидросиликаты кальция типа C2SH и C2SH2, а после полного связывания извести и в процессе перекристаллизации возникают более устойчивые микрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH и C5S6H5 (то берморит). Кристаллизация происходит вокруг зерен кварца и в межзерновом пространстве; сопровождается срастанием кристаллических новообразований в каркас с дальнейшим его упрочнением и обрастанием.

Полный цикл автоклавной обработки, по данным П.И. Боженова, слагается из пяти этапов:

• впуск пара и установление температуры 100°С;
• дальнейшее повышение температуры среды и давления пара до назначенного максимума; изотермическая выдержка при постоянном давлении (чем выше давление, тем короче режим автоклавизации);
• медленное и постепенное нарастание скорости снижения давления пара до атмосферного, а температуры - до 100°С;
• окончательное остывание изделий в автоклаве или после выгрузки их из автоклава.

Оптимальный режим, т. е. наилучшие условия по величине давления пара, температуры и продолжительности всех стадий обработки, обусловливается видом сырья, хотя по экономическим соображениям всегда стремятся к быстрому подъему и медленному спуску давления.

Большую пользу в формировании структуры и свойств силикатных камня и материалов оказывают вводимые в смеси добавочные вещества (добавки), выполняющие функции ускорителей процессов образования гидросиликатов кальция или магния, кристаллизации новообразований, модификаторов свойств и структуры. В целом в составе силикатного камня преобладают низкоосновные гидросиликаты кальция, имеющие тонкоигольчатое или чешуйчатое микрокристаллическое строение CSH и тоберморит C5S6H В высокоизвестковых смесях в результате синтеза образуется гиллебрандит 2СаО Si02 Н20 (т. е. C2SH).

Согласно другой теории, образование микроструктуры вяжущего происходит не через растворение извести и кремнезема, а в твердой фазе под влиянием процесса самодиффузии молекул в условиях 1 водной среды и повышенной температуры. Имеется и третья теория (А.В. Саталкин, П.Г. Комохов и др.), допускающая образование микроструктуры вяжущего в результате реакций в жидкой и твердой фазах.

Выполненные исследования силикатного камня и силикатного конгломерата на примерах бетонов мелко- и крупнозернистых показали, что при оптимальных структурах их свойства полностью подчиняются общим закономерностям ИСК.

Оптимальная структура силикатного материала формируется при определенном количестве известковр-кремнеземи-стого цемента и минимальном соотношении его фазовых составляющих. В свежеизготовленном конгломерате дисперсионной средой (с) служит известковое тесто (Ит), а в качестве твердой дисперсной фазы (ф) выступает молотый кремнеземистый (песчаный) компонент (Пм). Активность (прочность) известково-кремне-земистого вяжущего вещества оптимальной структуры после автоклавной обработки, как и другие свойства силикатного материала, зависит от величины соотношения Ит: Пм (по массе).

Кроме кремнеземистого сырьевого материала, можно использовать в производстве автоклавных изделий распространенные малокварцевые виды сырья - полевошпатовые, глинистые, карбонатные пески, а также шлаки и другие побочные продукты промышленности. Минералы малокварцевого сырья, растворившись в условиях авто-клавирования, становятся активными компонентами, не уступающими по растворимости кварцу. Их активность зависит от размеров радиусов анионов и катионов, входящих в их состав. В автоклаве формируется новое вяжущее (безобжиговое солешлаковое вяжущее), по свойствам превосходящее известково-кремнеземистое автоклавное твердение. Оно состоит из низкоосновных слабозакристаллизован-ных гидросиликатов кальция, а в присутствии ионов алюминия - из высокоосновных гидросиликатов кальция.

Классификация и виды силикатных материалов

Силикатные материалы относятся к группе искусственных каменных материалов на основе вяжущих веществ.

Общие сведения искусственных каменных материалов на основе вяжущих веществ

Признаки классификации, по которым различают вяжущие материалы:

1.В зависимости от вида вяжущего различают изделия на основе: цемента, извести, гипса и др.
2. В зависимости от способа производства определяют условия твердения таких материалов: естественное твердение, пропаривание, автоклавная обработка.

В качестве заполнителей для получения искусственных каменных изделий используют разнообразные материалы: песок, керамзит, и другие пористые заполнители, опилки и стружки и специфический армирующий заполнитель-асбест.

К основным искусственным каменным материалам и изделиям относятся:
1. Силикатный кирпич
2. Силикатобетонные изделия:
2.1. Тяжелые силикатобетонные изделия аналогичные обычному бетону
2.2. Легкие силикатобетонные изделия на основе пористых заполнителей или Ячеистые (пенно- и газосиликаты)
3. Гипсовые и гипсобетонные изделия
4. Стеновые камни из легкого и ячеистого бетона
5. Арболит
6. Цементно-стружечные плиты и асбестоцементные изделия

В отличие от керамики, материалы на минеральных вяжущих получаются за счет естественного твердения или термообработки при температурах до 200 °С. Таким образом, энергозатраты на производство изделий на минеральных вяжущих, даже с учетом энергозатрат на получение самого вяжущего, меньше, чем для получения керамики. Однако керамические материалы более долговечны и стойки к действию воды, агрессивных растворов и высоких температур.

Виды пустотелых изделий из силикатных материалов по ГОСТ 379-95 Кирпич и камни силикатные

Рисунок А1 - Камень (кирпич) 14-пустотный (диаметр отверстий 30 - 32 мм, пустотность 28 – 31 %)

Рисунок А2 - Камень (кирпич) 11-пустотный (диаметр отверстий 27 - 32 мм, пустотность 22 – 25 %)

Рисунок А3 - Кирпич 3-пустотный (диаметр отверстий 52 мм, пустотностъ 15 %)

ПЕРЕЧЕНЬ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
СИЛИКАТНЫХ ИЗДЕЛИЙ