4. Силикатные материалы и технологии их изготовления.

Силикатные и силикатобетонные материалы и изделия – это искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистого вяжущего вещества. После формования таких изделий необходима их тепловлажностная обработка в автоклавах по специальному режиму водяным паром под повышенным давлением (0,8— 1,3 МПа) и максимальной температурой 175-200 °С. Именно при таких условиях известь вступает в химическую реакцию с кремнеземистым компонентом: кварцевым песком, шлаками, золами ТЭЦ и другими, содержащими в своем составе Si02. Для более интенсивного протекания химических реакций и в целях получения повышенного количества гидросиликатов кальция кремнеземистый компонент частично подвергают помолу, причем, чем тоньше его помол, тем большее количество извести должно содержаться в смеси. Возможен совместный помол кремнеземистого компонента с известью. Чем больше образуется низкоосновных гидросиликатов кальция, тем прочнее будет силикатное изделие. Другими компонентами в формовочных смесях обычно являются немолотый песок, шлак, керамзит, вспученный перлит и другие, обязательным компонентом – вода. Получение камневидных силикатных изделий в результате их автоклавной обработки было открыто Михаэлисом в конце XIX в., но их массовое производство впервые было начато в нашей стране в XX в.

Главнейшими силикатными и силикатобетонными изделиями являются: силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, панели перекрытий, стеновые панели, колонны, балки, блоки и панели для наружных стен и покрытий из газосиликата, газолосиликата, пеносиликата и др.

Силикатные изделия могут быть сквозными или с полузамкнутыми пустотами для снижения их массы и улучшения теплозащитных свойств в конструкциях. Наилучшими теплозащитными свойствами обладают ячеистые бетоны: газосиликат, пеносиликат и бетоны, которые содержат в своей структуре большое количество мелких пор; истинная пористость ячеистых бетонов может достигать 80 %. В настоящее время технология производства большинства силикатных изделий имеет достаточно высокую степень механизации и автоматизации производственных процессов. Эти материалы и изделия являются более дешевыми по сравнению с цементными материалами.

По данным П. И. Боженова, для получения наиболее устойчивых гидросиликатов кальция с соотношением CaO : Si02= 0,8 - 1,2 (на конечной стадии автоклавной обработки) необходимо применять высокодисперсное сырье с удельной поверхностью 2000 – 4000 см2/г, кремнеземистый компонент по возможности должен быть аморфным, стеклообразным, т.е. обладающим высокой химической активностью: при этом улучшается и формуемость изделий, повышается их прочность, а продукция имеет более высокое качество. Большое значение имеет режим автоклавной обработки.

Полный цикл автоклавной обработки, по данным П. И. Боженова, состоит из пяти циклов:

1) подача пара и установление температуры в автоклаве 100°С;

2) повышение температуры и давления пара до назначенных максимальных величин;

3) изотермическая выдержка при постоянном давлении (чем выше давление, тем короче режим автоклавной обработки);

4) снижение давления пара с заданной скоростью до атмосферного и снижение температуры до 100 °С;

5) дальнейшее снижение температуры, при которой происходит остывание изделий в автоклаве, после чего – выгрузка их из автоклава.

Автоклав оборудован устройствами и приборами для контроля и автоматического управления заданным режимом автоклавной обработки. Оптимальный режим существенно зависит от сырьевых материалов. По экономическим соображениям стремятся к быстрому подъему давления в автоклаве и его медленному спуску. Для уменьшения внутренних напряжений в материале подъем давления пара происходит за 1,5-2,0 и снижение давления за 2-4 ч. Весь процесс автоклавной обработки осуществляется за 8-14 ч.

Во время автоклавной обработки вначале образуется известково-кремнеземистое вяжущее вещество в результате химических реакций, протекающих при повышенных температурах (120-130 °С) и давлении. Образовавшиеся гидросиликаты кальция сначала находятся в гелеобразном состоянии; при дальнейшем повышении температуры новообразования укрупняются, возникают зародыши кристаллов, а затем кристаллы и их сростки, таким образом образуется кристаллическая фаза.

Силикатный (известково-песчаный) кирпич изготовляют прессованием жесткой смеси, состоящей из 92-94% кварцевого песка, 6-8% извести (считая на активную СаО). Влажность такой формовочной смеси составляет 7-9% по массе. Отформованный кирпич на специальных тележках загружают в автоклав для твердения.

Кварцевые пески для производства силикатного кирпича должны иметь определенный зерновой состав. Наилучшей гранулометрией песка является та, при которой средние зерна размещаются между крупными, а мелкие – между средними и крупными. Диаметры зерен песка обычно составляют 0,05-2,00 мм. В песке ограничивается содержание примесей слюды (не более 0,5%), не должно быть включений глины, так как они снижают качество изделий.

Известь может быть гашеной или негашеной, с содержанием активных СаО + MgO не менее 85 %, причем содержание MgO не должно превышать 5%, так как магнезиальная известь (с повышенным содержанием MgO) гасится медленно. Время гашения извести не должно превышать 20 мин, применение медленно гасящейся извести снижает производительность гасильных установок. Содержание недожога не должно превышать 7 %, так как недожог является балластом, приводит к повышению расхода извести и увеличивает себестоимость продукции. Известь не должна быть пережженной, так как пережог медленно гасится и может вызвать растрескивание изделий.

Вода при производстве силикатного кирпича применяется при гашении извести, приготовлении формовочной смеси, запаривании кирпича-сырца в автоклавах, получении технологического пара

При производстве силикатного кирпича сначала измельчают известь-кипелку, затем смешивают ее с песком в мешалке. Для гашения извести такую смесь подают в силосы или в гасильные барабаны, отсюда название – силосный и барабанный способы производства. После гашения извести известково-песчаная смесь дополнительно перемешивается и увлажняется до влажности 7-9%. Формование кирпича из полученной смеси производится на рычажных прессах под давлением 15-20 МПа, после чего сырец укладывается на вагонетки и подается в автоклав.

Весь цикл автоклавной обработки составляет 10-14 ч. После выгрузки из автоклава силикатный кирпич выдерживают 10-15 дней на воздухе, при этом происходит реакция карбонизации извести, не вступившей в химические реакции при автоклавной обработке: Са(ОН)2 + С02= СаС03+ Н20; образование СаСОз в поверхностных слоях способствует повышению плотности, прочности и водостойкости силикатного кирпича.

Силикатный кирпич имеет ту же форму и те же размеры, как и обыкновенный глиняный: 250x120x65 мм. Утолщенный кирпич имеет размеры 250х 120x88 мм. Эти виды кирпича могут быть полнотелыми и пустотелыми. Выпускаются также пустотелые силикатные камни размерами 250x120x138 мм. Установлены марки кирпича (камня): по пределу прочности при сжатии – М75, Ml00, М125, MI50, MI75, М200, М250, МЗОО1; по морозостойкости – F15; F25; F35; F50. Для лицевых кирпичей и камней марка по морозостойкости должна быть не менее F25. Плотные изделия имеют среднюю плотность не менее 1500 кг/м3, а пористые – менее 1500 кг/м3.

Водопоглошенис по массе силикатного кирпича и силикатных камней должно быть не менее 6%. Эти изделия могут быть цветными, для их окраски используют щелочеустойчивые пигменты. По назначению силикатный кирпич именуют рядовым и лицевым. Лицевой может быть неокрашенным (светло-серого цвета) и цветным. Себестоимость силикатного кирпича примерно на 25-35 % ниже глиняного за счет меньшего расхода топлива, электроэнергии, меньшей трудоемкости производства. Силикатный кирпич применяется для кладки несущих стен зданий различного назначения, для столбов, опор. Однако его не рекомендуют использовать для фундаментов и цоколей зданий, так как водостойкость его недостаточна. Нельзя применять силикатный кирпич для кладки труб и печей, так как при высоких температурах он разрушается вследствие дегидратации гидросиликатов кальция и гидрооксида кальция, разложения СаСО.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи формуют на тех же прессах, что и силикатный кирпич, после чего запаривают в автоклавах. Известково-шлаковый кирпич изготовляют из смеси извести 3-12% (по объему), шлака 88-97% и воды; известково-зольный — из смеси 20-25% извести, 75 - 80% золы и воды. Шлаки и золы являются местными дешевыми материалами, их применение существенно снижает стоимость кирпича и позволяет улучшить экологию в регионе.

Золы не обладают вяжущими свойствами, но при смешивании их с известью и водой они активизируются, а автоклавная обработка известково-зольных изделий позволяет получать достаточно прочные ИСК. Золы, образующиеся при сжигании горючих сланцев, содержат в своем составе необходимое количество СаО, поэтому их используют без добавок извести; кирпич, изготовленный из таких зол, называют сланцезольным. По пределу прочности при сжатии известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи имеют марки: М25, М50, М75. Известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи применяют для кладки стен зданий высотой не более трех этажей, а также для стен верхних этажей в многоэтажных зданиях.

Силикатные бетоны в зависимости от их средней плотности подразделяют на три группы: тяжелые, имеющие среднюю плотность более 1800 кг/м3, изготовленные на плотных заполнителях (песке, щебне или гравии); легкие со средней плотностью 500-1800 ч кг/м3, изготовленные на пористых заполнителях (керамзите, аглопорите, вспученном перлите); ячеистые со средней плотностью менее 500 кг/м3 (газосиликат, пеносиликат и др.). В зависимости от крупности заполнителя их подразделяют на мелкозернистые с максимальные размером зерен до 5 мм и крупнозернистые - с размером зерен более 5 мм.

Вяжущим веществом в силикатных бетонах служит известково-кремнеземистое вещество, получаемое обычно совместным помолом воздушной извести и песка. Вместо песка применяют золу, молотый доменный шлак и другие отходы промышленности, содержащие кальциевые соединения кремнезема и глинозема. Чем больше содержание низкоосновных гидросиликатов кальция в ИСК, тем больше будет его прочность и водостойкость. Как и в цементных бетонах свойства силикатных бетонов, зависят также от качества заполнителей, водотвердого отношения и других факторов.

Из прочных силикатных бетонов изготовляют предварительно напряженные железобетонные шпалы, тюбинги для строительства туннелей в метро, безасбестовый шифер, дорожно-строительные материалы, облицовочные плиты для фасадов зданий, за исключением цоколей и других частей зданий, подвергающихся значительному увлажнению.

К силикатным изделиям (бетонам) ячеистой структуры относятся: пеносиликат, газосиликат, газозолосиликат и др.

Пеносиликат — это искусственный камневидный материал, получаемый в результате затвердения известково-песчаной смеси, смешанной с технической пеной, благодаря которой пеносиликат приобретает ячеистое строение. Сырьем для изготовления пеносиликата служат молотая известь-кипелка с содержанием активной СаО не менее 70% в количестве 15 — 20% и кварцевый песок. Вместо песка можно использовать фанулированный доменный шлак, золы, трепел, диатомит и другие материалы, содержащие большое количество кремнезема. Сначала совместным или раздельным помолом извести и кремнеземсодержащего материала готовят вяжущее вещество, потом готовят раствор, который затем смешивают с технической пеной. Для приготовления пены используют пенообразователь (ПО-6, смолосапониновый, пено- образователь, скрубберную пасту и др.), воду и стабилизатор пены. Готовую ячеистую смесь выпускают из смесительного барабана пенобетономешалки в раздаточный бункер, а затем разливают в формы будущих изделий. Через 6 — 8 ч выдержки, в результате которой происходит частичное отвердение ячеистобетонной массы, формы направляют в автоклавы для запаривания паром под давлением.

Газосиликат — материал ячеистой структуры. Для его изготовления также применяют известь и материалы с высоким содержанием кремнезема, из которых готовится раствор по технологии, сходной с производством пеносиликата. Но для образования пористой структуры формовочной смеси применяют газообразователь: алюминиевую пудру или — перекись водорода, благодаря которым (в результате химических реакций) выделяется газ, вспучивающий формовочную массу, залитую в подготовленные формы будущих изделий. С учетом увеличения объема формовочную массу заливают на 0.50 — 0,75 высоты формы. После предварительной выдержки и срезки «горбушки» формы транспортируют в автоклав, где в основном завершается их отвердение.

Газозолосиликат изготовляют с применением отходов — зол, что позволяет улучшить экологию и снизить стоимость этого вида ячеистого бетона. Его недостаток — повышенная водопоглощаемость.

По назначению силикатные бетоны ячеистой структуры подразделяют на конструкционные, конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные. Первые имеют среднюю плотность 1000—1200 кг/м2 и применяются для изготовления армопеносиликатных и армогазосиликатных плит, используемых в конструкциях покрытий промышленных зданий, для устройства внутренних несущих перегородок. Предел прочности при сжатии таких ячеистых бетонов составляет 7,5 — 20 МПа, при этом не требуется дополнительная теплоизоляция конструкций, долговечность их достаточна. Теплоизоляционно-конструкционные силикатные бетоны ячеистой структуры применяют в виде панелей наружных и внутренних стен, покрытий промышленных сооружений, перегородок, чердачных перекрытий жилых зданий и др. Эти изделия имеют предел прочности при сжатии 2,5 — 7,5 МПа, теплопроводность до 0,29 Вт/м • К.

Теплоизоляционные газосиликат и пеносиликат применяют в виде плит, скорлуп, коробов, мелких и крупных стеновых блоков для строительства одно- и двухэтажных зданий. Средняя плотность таких бетонов — до 600 кг/м3, теплопроводность составляет 0,10 — 0,35 Вт/(м К). Морозостойкость силикатных бетонов ячеистой структуры достигает до 100 циклов переменного замораживания и оттаивания. Однако для зашиты от атмосферных воздействий панели наружных стен и стеновые блоки защищают фактурными слоями, которые выполняют и декоративные функции.