Производство керамзита

     Прочность пористого заполнителя - важный показатель его качества. Стандартизована лишь одна методика определения прочности пористых заполнителей вне бетона — сдавливанием зерен в цилиндре стальным пуансоном на заданную глубину. Фиксируемая при этом величина напряжения принимается за условную прочность заполнителя. Эта методика имеет принципиальные недостатки, главный из которых — зависимость показателя прочности от формы зерен и пустотности смеси. Это настолько искажает действительную прочность заполнителя, что лишает возможности сравнивать между собой различные пористые заполнители и даже заполнители одного вида, но разных заводов. Методика определения прочности керамзитового гравия основана на испытании одноосным сжатием на прессе отдельных гранул керамзита. Предварительно гранулу стачивают с двух сторон для получения параллельных опорных плоскостей. При этом она приобретает вид бочонка высотой 0,6—0,7 диаметра. Чем больше количество испытанных гранул, тем точнее характеристика средней прочности. Чтобы получить более или менее надежную характеристику средней прочности керамзита, достаточно десятка гранул.

     Испытание керамзитового гравия в цилиндре дает лишь условную относительную характеристику его прочности, причем сильно заниженную. Установлено, что действительная прочность керамзита, определенная при испытании в бетоне, в 4-5 раз превышает стандартную характеристику. К такому же выводу на основе опытных данных пришли В. Г. Довжик, В. А. Дорф, М. 3. Вайнштейн и другие исследователи.

     Стандартная методика предусматривает свободную  засыпку керамзитового гравия в  цилиндр и затем сдавливание  его с уменьшением первоначального  объема на 20%. Под действием нагрузки прежде всего происходит уплотнение гравия за счет некоторого смещения зерен и их более компактной укладки. Основываясь на опытных данных, можно полагать, что за счет более плотной укладки керамзитового гравия достигается уменьшение объема свободной засыпки в среднем на 7%. Следовательно, остальные 13% уменьшения объема приходятся на смятие зерен (рис.1).Если первоначальная высота зерна D, то после смятия она уменьшается на 13%. 

      Рис. 1. Схема сдавливания зерен  керамзита при испытании

     Рис.2. Схема укладки зерен керамзита

     Высококачественный  керамзит, обладающий высокой прочностью, как правило, характеризуется относительно меньшими, замкнутыми и равномерно распределенными порами. В нем достаточно стекла для связывания частичек в плотный и прочный материал, образующий стенки пор. При распиливании гранул сохраняются кромки, хорошо видна корочка. Поверхность распила так как материал мал.

     Водопоглощение  заполнителя выражается в процентах от веса сухого материала. Этот показатель для некоторых видов пористых заполнителей нормируется (например, в ГОСТ 9759—71). Однако более наглядное представление о структурных особенностях заполнителей дает показатель объемного водопоглощения.

     Поверхностные оплавленные корочки на зернах керамзита  в начальный период (даже при меньшей  объемной массе в зерне и большей  пористости) имеют почти в два раза ниже объемное водопоглощение, чем зерна щебня. Поэтому необходима технология гравиеподобных заполнителей с поверхностной оплавленной корочкой из перлитового сырья, шлаковых расплавов и других попутных продуктов промышленности (золы ТЭС, отходы углеобогащения). Поверхностная корочка керамзита в первое время способна задержать проникновение воды вглубь зерна (это время соизмеримо со временем от изготовления легкобетонной смеси до ее укладки). Заполнители, лишенные корочки, поглощают воду сразу, и в дальнейшем количество ее мало изменяется..

     Между водопоглощением и прочностью зерен в ряде случаев существует тесная корреляционная связь. Чем больше водопоглощение, тем ниже прочность пористых заполнителей. В этом проявляется дефектность структуры материала. Например, для керамзитового гравия коэффициент корреляции составляет 0,46. Эта связь выявляется более отчетливо, чем связь прочности и объемной массы керамзита (коэффициент корреляции 0,29).

     Для снижения водопоглощения предпринимаются  попытки предварительной гидрофобизации пористых заполнителей. Пока они не привели к существенным положительным результатам из-за невозможности получить не расслаивающуюся бетонную смесь при одновременном сохранении эффекта гидрофобизации.

     Особенности деформативных свойств предопределяются пористой структурой заполнителей. Это, прежде всего, относится к модулю упругости, который существенно ниже, чем у плотных заполнителей Собственные деформации (усадка, набухание) искусственных пористых заполнителей, как правило, невелики. Они на один порядок ниже деформаций цементного камня. При исследованиях деформаций керамзита все образцы при насыщении водой дают набухание, а при высушивании — усадку, но величина деформаций разная. После первого цикла половина образцов показывает остаточное расширение, после второго — три четверти, что свидетельствует об изменении структуры керамзита. Средняя величина усадки после первого цикла 0,14 мм/м, после второго — 0,15 мм/м. Учитывая, что гравий в бетоне насыщается и высушивается в меньшей степени, реальные деформации керамзита в бетоне составляют лишь часть этих величин. Пористые заполнители оказывают сдерживающее влияние на деформации усадки (и ползучести) цементного камня в бетоне, в результате чего легкий бетон имеет меньшую деформативность, чем цементный камень.

     Другие  важные свойства пористых заполнителей, влияющие на качество легкого бетона— морозостойкость и стойкость против распада (силикатного и железистого), а также содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений. Эти показатели регламентированы стандартами.

     Искусственные пористые заполнители, как правило, морозостойки в пределах требований стандартов. Недостаточная морозостойкость некоторых видов заполнителей вне бетона не всегда свидетельствует о том, что легкий бетон на их основе также не морозостоек, особенно если речь идет о требуемом количестве циклов 25—35. Заполнители легких бетонов, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации, не всегда удовлетворяют требованиям по морозостойкости и потому должны тщательно исследоваться.

     На  теплопроводность пористых заполнителей, как и других пористых тел, влияют количество и качество (размеры) воздушных пор, а также влажность. Заметное влияние оказывает фазовый состав материала. Аномалия в коэффициенте теплопроводности связана с наличием стекловидной фазы. Чем больше стекла, тем коэффициент теплопроводности для заполнителя одной и той же плотности ниже. С целью стимулирования выпуска заполнителей с лучшими теплоизоляционными свойствами для бетонов ограждающих конструкций предлагают нормировать содержание шлакового стекла (например, для высококачественной шлаковой пемзы 60—80%) .

     Искусственные пористые пески — это в основном продукты дробления пористых кусковых материалов (шлаковая пемза, аглопорит) и гранул (керамзит). Специально изготовленные вспученные пески (перлитовый, керамзитовый) пока не занимают доминирующего положения.

     Большое преимущество дробленых песков —  возможность их производства в комплексе  с производством щебня. Однако это  обстоятельство обусловливает и существенные недостатки в качестве песка. Являясь попутным продуктом при дроблении материала на щебень, песок в ряде случаев не соответствует требуемому гранулометрическому составу для производства легкого бетона. Очень часто песок излишне крупный, не содержит в достаточном количестве наиболее ценной для обеспечения связности и подвижности бетонной смеси фракции размером менее 0,6 мм

     Насыпная  объемная масса пористых песков еще в меньшей степени, чем крупных заполнителей, характеризует их истинную «легкость». Малая объемная масса песка часто достигается за счет не внутри зерновой, а между зерновой пористости вследствие специфики зернового состава (преобладание зерен одинакового размера). При введении в бетонную смесь такой песок не облегчает бетон, а лишь повышает его водопотребность. Очевидно, для улучшения качества пористого песка необходим специальный технологический передел дробления материала на песок заданной гранулометрии, а не попутное получение песка при дроблении на щебень.

     Производство  дробленого керамзитового песка, особенно при преобладании в нем крупных фракций, нельзя признать рациональным. Крупные фракции (размером 1,2—5 мм) дробленого песка мало улучшают удобоукладываемость смеси, но вызывают повышение ее объемной массы из-за наличия открытых пор и повышенной пустотности. Вспученный (в печах «кипящего слоя») керамзитовый песок производится пока в небольшом количестве. По физико-техническим показателям он лучше дробленого песка. Прежде всего меньше его водопоглощение.

     Характеристика  вспученных и дробленых песков по фракциям:

     50% составляет фракция 1,2—5 мм. Поэтому  в легком бетоне приходится  снижать расход керамзитового  гравия, что нерационально (заменять  гравий песком).

     С уменьшением объемной массы пористых заполнителей (насыпной и в зерне) их пористость и водопоглощение увеличиваются. Однако водопоглощение, отнесенное к пористости зерен, уменьшается, что указывает на увеличение «закрытой» пористости у более легких ма- териалов. 

     Свойства  легкого бетона 

     Удобоукладываемость легких бетонных смесей оценивают теми же методами, которые применяют для бетонных смесей на плотных заполнителях.

     Подбор  количества воды затворения по заданному  показателю удобоукладываемости затруднен  тем, что последний зависит от характера применяемого пористого  заполнителя.

     Основы  теории легких бетонов, а также общий  метод подбора оптимального количества воды затворения для легкобетонной  смеси разработаны Н. А. Поповым. Этот метод основан на зависимости  прочности и коэффициента выхода легкого бетона от расхода воды

     Кривая  зависимости прочности от расхода воды имеет две ветви. Левая (восходящая) показывает, что прочность бетона при повышении расхода воды постепенно возрастает. Это объясняется увеличением удобоукладываемости бетонной смеси и плотности бетона. Правая (нисходящая) ветвь кривой свидетельствует о том, что после достижения наибольшего уплотнения смеси (т. е. минимального коэффициента выхода) увеличение расхода воды приводит к возрастанию объема пор, образованных не связанной цементом водой, и к понижению прочности бетона. В легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как недостатка, так и избытка воды затворения.

     Наиболее  важной (наряду с прочностью) характеристикой  легкого бетона является объемная масса. В зависимости от объемной массы и назначения легкие бетоны подразделяют на следующие группы: теплоизоляционные с объемной массой 500 кг/м3 и менее; конструкционно-теплоизоляционные (для ограждающих конструкций — стен, покрытий зданий) с объемной массой до 1400 кг/м3; конструкционные с объемной массой 1400— 1800 кг/м3. Объемная масса легкого бетона в значительной степени определяется объемной массой пористого заполнителя.

     Установлены следующие проектные марки легкого  бетона по прочности на сжатие: М25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350 и 400. Легкобетонные камни для стен обычно имеют марку 25 и 35, крупные стеновые панели и блоки изготовляют из легкого бетона марок М50, 75 и 100.

     Конструкционные легкие бетоны марок 150—400 получают применяя портландцемент марок 300—600. Крупным  заполнителем служит керамзитовый гравий, аглопоритовый щебень или шлаковая пемза, в качестве мелкого заполнителя часто применяют кварцевый песок. Объемная масса конструкционных легких бетонов с кварцевым песком доходит до 1700—1800 кг/м3, но все же она на 600— 700 кг/м3 меньше, чем у тяжелого бетона, поэтому коэффициент конструктивного качества, равный отношению прочности к объемной массе, у легкого бетона выше примерно в 1,4 (при одинаковой прочности). В силу этого конструкционный легкий бетон особенно выгодно применять взамен тяжелого бетона в железобетонных конструкциях больших пролетов (фермы, пролетное строение мостов и т. п.), где особенно эффективно снижение собственной массы конструкции. Уменьшение нагрузок от собственной массы позволяет сократить расход арматурной стали на 15—30 %.

     Деформативные свойства легких и тяжелых бетонов  сильно различаются. Легкие бетоны на пористых заполнителях более трещиностойки, так как их предельная растяжимость выше, чем равнопрочного тяжелого бетона. Однако следует учитывать  и такие особенности легких бетонов, как большие усадка и ползучесть по сравнению с тяжелым бетоном.

     Теплопроводность легкого бетона зависит в основном от объемной массы и влажности.

     Увеличение  влажности бетона на 1 % повышает коэффициент  теплопроводности на 0,01—0,03 Вт/(м-К). В зависимости от объемной массы и теплопроводности толщина наружной стены из легкого бетона может быть от 22 до 50 см.

     Долговечность бетона зависит от его морозостойкости. Для ограждающих конструкций обычно применяют легкие бетоны, выдерживающие 15—35 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Однако для стен влажных промышленных помещений, в особенности в районах с суровым климатом, требуются более морозостойкие легкие бетоны. Требования по морозостойкости еще более повышаются, если конструкционный легкий бетон предназначен для гидротехнических сооружений, мостовых и других конструкций. В этих случаях нужен легкий бетон с марками по морозостойкости МрзбО, 75, 100, 150, 200, 300, 400 и 500.

     Возможность получения легких бетонов с высокой  морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно используют в мостостроении, в гидротехническом строительстве и даже в судостроении.