книги из ГПНТБ / Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики учебник

нителей насыпная масса является их основной характе­ ристикой и нормируется ГОСТами и техническими ус­ ловиями. Ее величина зависит от объемной массы мате­ риала, его гранулометрического состава и формы зерен. Для пористых заполнителей насыпная масса колеблется

Для рабочих свойств пористых заполнителей важное значение имеют не только величина пористости, но также гранулометрия и размеры пор, которые в ряде случаев оказывают решающее влияние на свойства бетона, изго­ товленного на данном заполнителе. Всегда нужно иметь в виду, что заполнители не являются конечной строи­ тельной продукцией. Ею является бетон, изготовленный на этих заполнителях. Поэтому свойства заполнителя нужно оценивать в неразрывной связи со свойствами бе­ тона, изготовленного на их основе. В этом отношении оценка качества заполнителя только по его объемной массе, вне зависимости от размера его пор, может при­ вести к ошибочным выводам. В качестве иллюстрации сказанного рассмотрим такой пример. На рис. 29 приве­ дена зависимость между объемной массой шлаковой пемзы и средним диаметром пор, составленная по дан­ ным работы [28]. Если руководствоваться только этой зависимостью, то можно придти к выводу, что нужно стремиться выпускать крупнопористую пемзу, так как

70

ойа легче. Однако такой вывод будет ошибочен, чТо под­ тверждается рис. 30, составленным но данным той же ра­ боты [28]. Из показателей рис. 30 видно, что более вы­ соким качеством обладает шлакопемзобетон, изготов­ ленный па мелкопористой пемзе, несмотря на то что она тяжелее.

П у с т о т н о с т ь ю заполнителя Уп.м называют отно­ шение объема межзерновых пустот ко всему объему, за­ нимаемому заполнителем.

<15>

Для исскусственных пористых заполнителей Уп.м со­ ставляет 30—45%.

П р о ч н о с т ь ю вообще называют способность мате­ риала сопротивляться разрушению от действия напря­ жений, возникающих в нем под влиянием приложенной нагрузки. Процесс разрушения материала в современ­ ном представлении [20] рассматривается как процесс роста трещин и концентрации вокруг них напряжений. Предполагается, что поверхность любого материала по­ крыта густой сетью микротрещин (трещины Грифитса), являющихся начальными очагами его разрушения. Этим объясняется большое отличие обычно наблюдающейся, т. е. измеренной прочности внешне бездефектного мате­ риала (0,1—10-102 МПа) от прочности, рассчитанной по

71

величине межатомных связей (0,1—10-104МПа). ПроЧность силикатных материалов зависит от их фазового состава, общей пористости, гранулометрии пор и струк­ туры ', а сыпучих материалов — еще от формы зерен и их гранулометрического состава.

Между прочностью керамических пористых заполни­ телей и их объемной массой, выраженной в г/см3, суще-

Рис. 30. Зависимость между средним диаметром пор шлаковой пем­ зы и показателями изготовленного из нее шлакопемзобетона и влия­ ние диаметра пор в мм:

а — объемная масса; б — расход цемента на 1 м3; в — предел прочности при сжатии

ствует достаточно закономерная (статистическая) зави­ симость [30] вида:

Я3= 150^ , (16)

где R 3— прочность заполнителя.

Прочность пористых заполнителей по ГОСТ 9758—68 определяют сдавливанием в стальном цилиндре диамет­ ром 150 мм порции материала высотой 100 мм до осад­ ка в нем (цилиндре) поршня на 20 мм. При этом методе выявляется не действительная прочность материала, а некоторая величина, косвенно ее характеризующая, ко­ торую правильней будет называть условной прочностью1

1 Под структурой понимают пространственное взаиморасполо­ жение в системе отдельных ее фаз [29].

72

(Rix). Действительная прочность зерен заполнителя пре­ вышает условную для керамзита в 4—5, а для аглопорита — в 30 раз.

Между показателями условной прочности пористых заполните­ лей (при испытании сжатием в цилиндре Rn) и насыпной массой существует статистическая зависимость вида

(17)

где уп — насыпная масса заполнителя в т/м3.

Г р а н у л о м е т р и ч е с к и й с о с т а в заполнителя в наиболее общем случае характеризуют кривой рассе­ ва, которую описывают уравнением [31]:

(18)

где У— количество заполнителя, прошедшего через сито, в долях единицы; х — размер отверстия сита в мм; D — наибольшая круп­ ность фракции в мм; п — показатель гранулометрии.

В виде кривых рассева (точнее диапазона между пре­ дельными кривыми рассева) гранулометрический состав регламентируется лишь для пористого песка. Для круп­ ного заполнителя ГОСТ 9757—61 устанавливает деле­ ние по размеру зерен на три фракции: 5—10; 10—20 и 20—40 мм. Содержание отдельных фракций в товар­ ной продукции ГОСТ не нормирует.

Для сравнительной оценки влияния в бетоне свойств различных заполнителей пользуются иногда понятием

20 мм — 50% •

М о р о з о с т о й к о с т ь . Вода, заполняющая поры и капилляры материала, при замерзании в лед увеличива­ ется в объеме на 9%, что обусловливает появление в нем растягивающих напряжений, приводящих к его разру­ шению. Способность материала сопротивляться дейст­ вию этих разрушений характеризует его морозостой­ кость. Для искусственных пористых заполнителей коли­ чественной мерой морозостойкости является потеря по массе после определенного количества циклов попере­ менного замораживания и оттаивания насыщенного во­ дой материала.

73

Морозостойкость искусственных пористых заполни­ телей уменьшается с возрастанием их внутренней по­ верхности. Соответственно этому наибольшей морозо­ стойкостью обладает шлаковая пемза. Морозостойкость аглопорита больше, чем керамзита.

С т о й к о с т ь п р о т и в с и л и к а т н о г о р а с п а ­ да. В кристаллической фазе некоторых искусственных пористых заполнителей в процессе их изготовления мо­ жет образовываться минерал белит, который при 675° С претерпевает модификационные превращения по схеме |32СаО Si02-^'2C a0 Si02 с объемным изменением око­ ло 10%, что приводит к полному разрушению (распаду) материала. Для таких материалов ГОСТами предусмот­ рено специальное испытание на стойкость против сили­ катного распада.

С т о й к о с т ь п р о т и в ж е л е з и с т о г о р а с па - д а. При воздействии воды на сернистое железо, содер­ жащееся иногда в некоторых видах искусственных пори­ стых заполнителей, образуется гидрат окиси железа. Этот процесс гидратации происходит с увеличением объ­ ема до 38%, что также вызывает разрушение материала. В связи с этим для таких заполнителей и предусматри­ вается специальное испытание на стойкость против же­ лезистого распада.

С т о й к о с т ь п р о т и в и з в е с т к о в о г о р а с п а - д а. Если в материале заполнителя имеются включения зерен извести, то при взаимодействии с водой, подвер­ гаясь гашению, они могут увеличиваться в объеме до 4 раз, что соответственно приводит к разрушению мате­ риала заполнителя. Предусмотрены также специальные испытания на стойкость заполнителя против известково­ го распада.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь . Хотя действующими ГО­ СТами требования по теплопроводности к искусствен­ ным пористым заполнителям не нормируются, она явля­ ется важнейшим их свойством, поскольку основное применение они находят в легкобетонных наружных ог­ раждающих конструкциях. Теплопроводность сухих пори­ стых заполнителей зависит от их объемной массы, раз­ мера и формы пор и от фазового состава. Между объем­ ной массой и теплопроводностью существует практиче­ ски линейная зависимость. Укрупнение пор сопровожда­ ется увеличением теплопроводности материала. С возра­

74

станием содержания в материале стекловидной фазы его теплопроводность снижается.

О д н о р о д н о с т ь . Стабильность свойств искусст­ венных пористых заполнителей и прежде всего их объ­ емной массы имеет большое практическое значение, хо­ тя и не нормирована действующими ГОСТами.

Легкие зерна заполнителя менее прочны, но зато обладают мень­ шей теплопроводностью. Соответственно этому легкие заполнители наиболее пригодны для изготовления наружных ограждающих кон­ струкций, в которых теплозащитные свойства являются основными. Более тяжелые зерна являются наиболее прочными, и потому от­ носительно тяжелые пористые заполнители целесообразно применять для конструктивных бетонов, от которых не требуется теплозащит­ ных свойств, но прочность которых является основным показателем их качества.

Если товарная масса заполнителя рассортирована на легкую и тяжелую фракции, то каждую из них можно использовать в бе­ тонах различного назначения с наибольшим техническим и эконо­ мическим эффектом. Если же смесь не рассортирована и содержит зерна с резко различными объемными массами, эффект использова­ ния такого заполнителя значительно ослабляется.

Наличие тяжелых зерен в наружных ограждающих конструкци­ ях увеличивает объемную массу бетона и вынуждает утолщать стены. Более того, отдельные местные скопления таких зерен могут образовывать «мостики холода» и обусловливать местное промерза­ ние и потение стены, хотя по своим средним показателям этот бе­ тон будет отвечать требованиям теплотехнических норм.

Наличие легких и, следовательно, малопрочных зерен в конст­ руктивных бетонах, являясь начальным очагом его разрушения, бу­ дет снижать несущую способность конструкции.

Однородность партии искусственных пористых запол­ нителей по их насыпной объемной массе либо стабиль­ ность насыпной объемной массы продукции, выпускае­ мой предприятием, можно оценивать по коэффициенту изменчивости Gy (%), называемому в математической

статистике коэффициентом вариации;

(19)

(20)

где с — среднеквадратичное отклонение; х — среднеарифметическое значение насыпных объемных масс испытанных проб; х — частные значения насыпных объемных масс испытанных проб; п — количест­ во испытанных проб.

Однородность можно считать удовлетворительной при G' < 5% .

75

Кроме рассмотренных общих свойств для некоторых видов пористых заполнителей регламентированы пока­ затели специфических для них свойств, которые рассмот­ рены в соответствующих главах.

Глава IV. ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМЗИТА

Материалы керамзитовой структуры являются но­ вой группой керамических строительных материалов. При производстве всех изделий классическими методами керамической технологии стремятся в обжиге достичь той или иной степени спекания керамического черепка, а ма­

В изломе вспученный материал имеет структуру застыв­ шей пены. Таким образом, керамзитовыми материалами мы будем называть такие, которые получают вспучива­ нием глинистых пород при их обжиге.

Материалами керамзитового типа являются керамзи­ товый гравий, керамзитовый песок и штучный керамзит. Последний известен также под названием ячеистой ке­ рамики и пенокералита. Наибольшее развитие получило производство керамзитового гравия, который обычно именуют просто керамзитом. Керамзитовый гравий был запатентован Стефаном Хейдом (США, 1918 г.) и изве­ стен в США под названием «хайдита», а в западно-евро­ пейских странах — под фирменным названием «лека». В СССР опытные работы по керамзитовому гравию бы­ ли начаты в 20-х гг. [32], а в 1939 г. было организовано

§ 1. С ВО ЙС ТВА К Е Р АМ ЗИ ТО ВО ГО ГРАВИ Я

Требования к керамзитовому гравию регламенти­ рованы ГОСТ 9759—71. Основные из них — объемная масса, прочность, коэффициент формы, водопоглощение,

76

морозостойкость и стойкость против известкового рас­ пада.

По величине зерен различают три фракции: 5—10; 10—20; и 20—40 мм. Керамзит с зернами крупностью ме­ нее 5 мм относят к керамзитовому песку.

По морозостойкости керамзит должен выдерживать не менее 15 теплосмен с потерей в весе не более 8%. По­ теря в весе после 4-ч кипячения не должна превышать 5%- Отпускная влажность керамзита должна быть не более 2%.

Большое влияние на качество керамзита как запол­ нителя бетона оказывает коэффициент формы (Кф) — отношение длины зерен к их диаметру. По ГОСТу допу­ скается средняя величина Кф^1,5.

Содержание в гравии расколотых зерен не должно превышать по массе 15%.

§ 2. О СНО ВЫ ТЕО РИ И В С П У Ч И В А Н И Я Г Л И Н Ы

Как уже отмечалось, керамзит получают вспучива­ нием глин при их обжиге.

Для уяснения основных закономерностей процесса вспучивания глиняной гранулы рассмотрим его в самом схематическом приближении. Представим себе, что на­

77

гревается полый глиняный шарик (рис. 31), который можно уподобить элементарной поре глиняной гранулы. Во время нагрева при достижении определенной темпера­ туры (индивидуальной для каждой глины) глиняная обо­ лочка рассматриваемого шарика начнет размягчаться, спекаться и в конечном счете уплотнится и станет газо­ непроницаемой, находясь в пиропластическом состоянии,

Рис. 31. Схема вспучивания элементарной ячейки глиняной гранулы

1 — н е в с п у ч е н н о й ; 2 — в с п у ч е н н о й

т. е. будучи способной к пластическим деформациям без разрыва сплошности. Если в этот момент внутри шарика по каким-либо причинам начнут выделяться газы, то, не имея выхода через оболочку, они будут создавать во внутренней полости шарика избыточное давление, под воздействием которого оболочка, будучи размягченной, начнет расширяться. Это и будет представлять собой вспучивание элементарной ячейки глины.

Таким образом, процесс вспучивания состоит из двух стадий: первая — спекание с образованием закрытой по­ ры и вторая— собственно вспучивание под давлением газов, выделяющихся внутри закрытой поры. Сумма та­ ких элементарных актов в каждой ячейке глиняной гра­ нулы и обусловит общий процесс вспучивания всей гра­ нулы. При этом, рассматривая процесс вспучивания всей гранулы, необходимо иметь в виду, что по своей толще она нагревается неравномерно: с поверхности нагрева­ ется быстрее, чем в центре. Поэтому поверхность грану­ лы еще до того, как вся ее масса приобретает пиропластическое состояние, покрывается плотной спекшейся газонепроницаемой оболочкой, предотвращающей утеч­ ку газов из гранулы даже в том случае, если под давле­

78

нием газов отдельные перегородки пор окажутся прор­ ванными.

Математически процесс вспучивания но Я. Н. Черняку может быть описан исходя из следующих соображений. В процессе вспучи­ вания силы поверхностного натяжения dWa стремятся сжать воз­

никший газовый пузырек, преодолевая сопротивление сил вязкого трения dVP^ . Согласно известным законам физической химии:

где г — радиус элементарного пузырька; т —■время; о — поверхност­ ное натяжение; т) — вязкость.

Давление Р газов внутри пузырька в случае неизменного их ко­

Подставляя значения (21) и (22) в уравнение (26) и произведя преобразования, получаем

79