Силикатные бетоны плотной и ячеистой структуры на основе песков, содержащих полевые шпаты —
Основным сырьем для получения автоклавных бетонов служат известь и песок. Поскольку песок в материалах гидротермального твердения — реакционноактивный компонент, минералогический , состав его имеет большое значение. Сейчас для автоклавных силикатных бетонов используют в основном кварцевые пески. Однако области их распространения ограничены. Пески большинства месторождений полиминеральны по своему составу. Особенно широко распространены пески, содержащие полевые шпаты. Основными минералами каракумских песков большинства месторождений являются кварц и полевые шпаты. Решение проблемы использования кварцевополевошпатовых песков в производстве изделий из силикатных бетонов позволит существенно расширить сырьевую базу строительных материалов во многих районах нашей страны и особенно в Средней Азии.
В исследованиях ВНИИСТРОМа по разработке технологии изготовления изделий из ячеистого и плотного (тяжелого) силикатных бетонов и изучению их свойств использовались пески Ашхабадского, Чарджоуского. Ташаузского, Аму-Дарьинского. Челекенского, Небит-Дагского, Безмеииского, Марыйского, Дарган-Атинского, Бахарденского месторождений, содержащие кварца от 73 до 38% и полевых шпатов от 13 до 28%. Кроме этого, в песках в некоторых количествах имеются и другие примеси — карбонаты и глинистые вещества.
Для определения влияния количественного содержания в песке полевых шпатов на состав продуктов твердения и основные свойства силикатных бетонов использовались искусственно приготовленные смеси из кварца и полевошпатных минералов. Результаты экспериментов подтвердили установленный ранее факт меньшей химической активности во взаимодействии с известью полевых шпатов, особенно щелочных (альбит, микроклин), по сравнению с кварцами. Однако, как показали исследования, степень влияния примесей щелочных полевых шпатов в песке на реакционную способность известково-песчаных смесей и физико-мехаии- ческие свойства силикатных бетонов за- ! висит от величины примесей. Эту закономерность можно отметить при анализе данных других авторов .
Присутствие в кварцево-полевошпатовом песке 10—20% указанных минералов практически не вызывает изменения состава продуктов автоклавного твердения и прочностных показателей бетонов как плотной, так н ячеистой структуры. Наличие в песке более 20% полевых шпатов приводит к уменьшению общего количества продуктов твердения и изменению их состава. Понижается содержание низкоосновных гидросиликатов кальция, увеличивается количество высокоосновных гидросиликатов кальция с одновременным увеличением содержания новообразований, имеющих в своем составе окислы алюминия (гидрогранаты) и щелочных металлов (смешанные кальциево-щелочные гидросиликаты).
Степень такого изменения повышается с увеличением содержания в песке полевых шпатов. Вследствие этого, определенные количества полевошпатовых примесей в песке приводят к снижению прочности бетона при сжатии. Для бетонов ячеистой структуры это снижение начинается при наличии в песке 40% полевошпатовых минералов (прочность при сжатии уменьшается на 20%) для бетонов плотной структуры при содержании в исходном песке 30—40% полевых шпатов прочность при сжатии уменьшается примерно на 10—20%. Причина различия во влиянии на указанные свойства бетонов плотной и ячеистой структуры одинаковых количеств в исходном песке полевошпатовых минералов заключается в разном соотношении извести и песка в тенкоизмельченной смеси этих материалов. При обычно принятом содержании активной СаО в молотой известково-песчаной смеси для ячеистого бетона 18— 20% и для плотного силикатного бетона примерно 30% соотношение С/S для первой разновидности бетона почти в 2 раза ниже, чем для второй. Влияние же минералогического состава неизмельченного песка-заполнителя в бетоне плотной структуры существенно ниже, чем влияние тонкомолотого песка в составе вяжущего.
2Вайшвилайше А., Вектарис Б. Влияние полевошпатовых примесей иа физико-механические свойства плотного и ячеистого силикатных бетонов. Сб. «Исследования по силикатным бетонам». Издательство «Мин- тис». Вильнюс, 1967.
Высокая основность молотых известково-песчаных смесей, предназначенных для изготовления плотного силикатного бетона, по сравнению с ячеистым, приводит к тому, что относительно меньшая химическая активность полевых шпатов по сравнению с кварцем проявляется в первых при меньшем содержании в смеси этих минералов, чем в бетоне ячеистой структуры.
Прочность на растяжение при изгибе силикатных бетонов как плотной, так и ячеистой структуры, при наличии в песке 40—45% полевых шпатов выше аналогичной прочности бетонов на основе кварца. Характерно также, что отношение для бетонов на кварцевополевошпатовых песках выше, чем при использовании чисто кварцевого песка. Эта особенность силикатных бетонов на кварцево-полевошпатовых песках связана с пониженной основностью низкоосновных гндросиликатов кальция, так как щелочная среда, образующаяся при разложении полевых шпатов, способствует повышению растворимости кварцевой составляющей песка и активизирует процесс ее взаимодействия с известью.
Наличие в песке значительных количеств полевошпатовых минералов определенным образом сказывается на долговечности бетонов. В настоящее время долговечность строительных материалов принято оценивать по изменению их физико- технических свойств при попеременных замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании, воздействии углекислого газа, по усадочным деформациям и пр. Испытание образцов г использованием искусственно приготовленных песчаных смесей показало, что ячеистый бетон на смеси кварца и полевего шпата в соотношении примерно 1: 1 прошел 15 циклов замораживания и также, как и аналогичные образны бетона на основе чисто кварцевого, без потерь в весе и прочности. Ячеистый же бетон иа полевошпатовом песке не выдержал и 2 циклов испытания. Вместе с тем. полевошпатовые минералы в леске не оказывают отрицательного влияния на стойкость силикатного бетона при попеременном увлажнении и высушивании н искусственной карбонизации. Величины полной усадки бетона при высушивании от состояния максимального водонасыщении до нулевой влажности уменьшаются при наличии в песке 30 и более процентов полевошпатовых примесей. Это связано с присутствием бетоне иа кварцево-полевошпатовых и полевошпатовых песках минералов, не удерживающих или слабо удерживающих межслоевую воду. К ним относятся вы- сохоосчовные гидросиликаты кальция, гидрогранаты, ксонотлит. Пониженная величина полной усадки бетона на кварцево-полевошпатовых и полевошпатовых песках положительно сказывается иа стойкости его при чередующихся увлажнениях и высушиваниях.
В целом исследования показали, что в производстве ячеистых силикатных бетонов. удовлетворяющих по своим свойствам нормативным требованиям, и в производстве плотных силикатных бетонов марок до 400 допустимо использование для приготовления вяжущего полиминеральных песков с содержанием щелочных полевых шпатов до 30% при наличии кварца не менее 50%. При меньшем содержании кварца необходимо предварительное испытание вяжущего на основе такого песка в бетоне с проверкой прочности при сжатии и морозостойкости бетона. В песке-заполнителе для плотного силикатного бетона, вследствие значительно меньшей реакционной способности немолотого песка, допустимое содержание полевошпатовых минералов может быть выше. Возможные пределы указанной величины зависят от требований, предъявляемых к бетону (преимущественно к его прочности).
Чтобы изучить возможность получения на основе природных кварцево-полевошпатовых песков силикатных бетонов и крупноразмерных изделий исследовались прочностные характеристики и показатели долговечности этих материалов с параллельной отработкой технологических параметров их изготовления.
Данные по прочности и морозостойкости ячеистых силикатных бетонов объемных весов 7G0 .ООО кг/м3 из барханных песков всех 10 месторождений показали, что все они пригодны для изготовлении наружных стеновых панелей.
Более детально физико-механические свойства ячеистых силикатных бетонов были исследованы на примере песка Ашхабадского месторождения, содержащего наибольшее количество полевошпатовых минералов (28%). По основным строительным свойствам (призменной прочности при сжатии, прочности на растяжение при изгибе и раскалывании, прочности на срез, модулю упругости, величине сцепления с арматурой) этот бетон, изготовленный на основе песка Ашхабадского месторождения характеризуется показателями, равными или в ряде случаев более высокими, чем аналогичные показатели ячеистых бетонов, приготовленных с использованием кварцевых песков.
ГОСТом не нормируются предельные величины по усадочным деформациям бетона при высыхании, но важность измерения этих величии, характеризующихся и постой кость материала, не вызывает сомнений. Усадка ячеистых силикатных бетонов объемного весом 700 кг/м3 на барханных песках исследованных месторождений, определенная в соответствии с требованиями ГОСТ 12857—67 после 28-дневиого высушивания над К2СО3 составила величину 0,34—0,54 мм/м. Полная усадка при высушивании до целевой влажности этих бетонов равнялась 1.4—1,6 мм/м. По литературным данным, эта величина для газосиликата на кварцевом песке достигает 1,9 мм/м. Несколько меньшую величину полной усадки в случае использования природных кварцевополевошпатовых песков по сравнению с бетонами иа кварцевом песке можно объяснить, в соответствии с ранее высказанными соображениями, наличием в составе продуктов твердения высокоосновных гидросилнкатов кальция, которые не удерживают или удерживают в меньшей мере межплоскостную воду, чем CSH(I), 1: минералы тоберморитового ряда.
Величина падения прочности при сжатии ячеистого силикатного бетона объемного веса 600 и 700 кг/м3, изготовленного на основе барханных кварцево-нолевошпатовых песков, после 10-кратного попеременного увлажнения и высушивания не превышает 10%.
Карбонизация этих бетонов (при действии СО2 с концентрацией 100%) протекает значительно медленнее, чем бетонов на основе чисто кварцевых песков Это обусловлено присутствием в продуктах твердения определенных количеств высокоосновных гидросилнкатов кальция, которые, в отличие от CSH(I), очень медленно реагируют с С02. За 5 лет атмосферного хранения на воздухе образцов из ячеистого бетона иа бархатных песках прочность их не понизилась.
Отмеченные различия в свойствах ячеистых бетонов на кварцевополевошпатовых и кварцевых песках, связанные с некоторыми различиями в составе их продуктов твердения, характерны и для бетонов плотной структуры. Однако, если для ячеистого силикатного бетона на песках Туркменских месторождений можно рекомендовать в целом те же технологические параметры приготовления сырьевой смеси, которые приняты в производстве газосиликата на кварцевом песке, то для бетона плотной структуры следует изменить рецептуру как вяжушего, так г. бетонной смеси. Причина этого заключается, во-первых, в необходимости снижения основности молотых известково- песчаных смесей в связи с малым содержанием в песках кварца и значительным количеством полевошпатовых минералов, обладающих низкой по сравнению с кварцем реакционной способностью, и во-вторых, в необходимости повышения расхода вяжущего в связи с высокой дисперсностью, характерной для барханных песков.
По своим строительным свойствам плотный силикатный бетон, изготовленный на основе барханных песков, удовлетворяет нормативным требованиям. Так, например, бетон с прочностью при сжатии 280 кГ/см2 в кубах с ребром 20 см, изготовленный на основе песка Ташаузского месторождения, характеризовался следующими показателями: призменная прочность при сжатии 273 кГ/см2. прочность на растяжение при изгибе — 56 кГ/см2. статический модуль упругости 171000 кГ/см2, величина сцепления с арматурой — 63 кГ/см2. Однако эти бетоны вследствие высокой дисперсности песка- заполнителя, способствующей увеличению пористости бетона, обладают повышенным водопоглощением — примерно 14%. Усадка бетона от состояния полного во- донасыщения до влажности 37о (приблизительно такая влажность является равновесной в условиях эксплуатации) составляет 0,7 мм/м, полная усадка бетона — 1,1 мм/м.
Плотные силикатные бетоны на исследованных песках морозостойки, они выдерживают до 150 циклов попеременного замораживания и оттаивания без внешних признаков разрушения и без потерн прочности.
Испытание стеновых панелей (размером 2580X1390X140 мм) и плит перекрытий (размером 2580X1390X100 мм) из плотных силикатных бетонов на барханных песках показало, что их несущая способность не только стответствует, но н и ряде случаев на 50—% превышает теоретическую. Вместе с тем до накопления производственного опыта пс применению в качестве песка-заполнителя столь высокодисперсных песков при составлении проектов предприятий целесообразно предусмотреть возможность улучшения зерновое: состава песка путем обогащения его фракциями других пород в целях улучшения формовочных свойств бетонных смесей и повышения трещиностойкости изделий.
Проведенные исследования указывают на возможность использования в производстве крупноразмерных изделий из бетонов автоклавного твердения полиминеральных песков в частности, кварцевополевошпатовых с наличием примесей и других минералов. Установлено, что полевые шпаты, содержавшиеся в песках многих месторождений, оказывают влияние на свойства силикатных бетонов. Это влияние носит как отрицательный, так и положительный характер, с степень этого влияния зависит от количества полевошпатовых минералов в тесте. В производстве силикатобетонных изделий следует считать допустимым использование тонкомолотого песка, являющегося компонентом вяжущего.