Лекгие бетоны

  Применение такого покрытия снижает водоцементное отношение на первом этапе твердения за счет водопоглощения крупного заполнителя. Затем за счет набухания гранул создается избыточное давление, которое уплотняет цементный камень. Так же за счет использования гипсоизвесткового покрытия обеспечивается упрочнение структуры бетона, увеличение микротвердости цементного камня  в зоне его контакта с гранулами торфа. Полимерсиликатная композиция консервирует гранулы и снижает отрицательное влияние редуцирующих веществ на свойства легкого бетона.

Для повышения качества композиционных материалов в их состав целесообразно  ввести дисперсные микроармирующие  кальцийсодержащие добавки, такие  как волластонит и диопсид  взамен 20-40% цемента. Это обеспечивает упрочнение структуры, повышение механической прочности и водостойкости бетона. Подобное действие добавок объясняется действием адсорбционного энергетического поля, возникающего при формировании органоминерального композита и микро армированием цементного камня.

     Путем экспериментов установлено, что стены зданий, изготовленные из легкого бетона на основе гранулированных торфяных и других органических заполнителях теплее обычных легкобетонных стен в среднем на 5-5,5  градусов Цельсия, а влажность материалов на внутренней стороне ниже в 1,4-2 раза. При равной толщине стен термическое сопротивление таких зданий в 1,8-2,1 раза больше, а шумозащита в 2-3 раза.  

4.4 Легкие бетоны на основе зол ТЭЦ

     Для производства легких бетонов используют так же природные пористые заполнители, в частности, щебень из пористых горных пород вулканического или осадного происхождения. Для увеличения прочности бетона зерна исходного материала, как правило, дробят, так как прочность мелких зерен больше, чем крупных.

    В качестве наполнителей для легких бетонов так же используют отходы от сжигания антрацита, каменного и бурого угля,  сланцев, золы, алгопорит на основе золы ТЭС и так называемый зольный гравий. Как правило, шлаки применяют после длительного вылеживания в отвале, порядка 3-6 месяцев. За это время в них гаситься свободный оксид кальция,  выщелачиваются соли и окисляются топливные остатки.

Перед добавлением в бетонную смесь  шлаки обогащают, отсеивают мелкие фракции, несгоревшие частицы угля и другие вредные примеси.

     Следует заметить, что производство бетона на основе зол ТЭЦ – наиболее динамично развивающаяся отрасль. Это связано с тем, что вторичное использование отходов производства не только значительно снижает производственные затраты, но так же способствует улучшению экологической обстановки в стране. Кроме того, использование золы ТЭЦ делает технологию производства легких бетонов доступным даже для предприятий малого и среднего бизнеса. В частности, за счет того, что применение зол ТЭЦ позволяет производить бетоны без использование молотого песка, производство которого часто не по силам малым предприятиям.

     Раньше решения по разработке технологий легких бетонов на основе высококальциевых зол ТЭЦ от сжигания Канско-Ачинских углей были направлены на максимальное их введение в сырьевые смеси. Но это привело к неоправданно сложным и энергоёмким решениям (постоянное изменение дозировок и технологических режимов в соответствии с колебаниями свойств зол, обязательное пропаривание, иногда — помол компонентов или сушка изделий).  Поэтому предложенные технологии не было внедрены широко. Особенно трудно данные технологии было внедрять на малых предприятиях.

В результате исследований [3] было предложено использовать различные химические добавки, которые снижают чувствительность конечного продукта к составу и свойствам исходного материала (золы).  Такое снижение чувствительности было вызвано тем, что добавки  ускорили процесс газообразования, что ослабило возможные деструктивные явления.  Это было достигнуто за счет того, что добавки вступили в реакцию обмена и присоединения с составом золо-цементоной композии.             

     Наиболее распространённые и доступные добавки такого типа — это хлорид и сульфат натрия. Принцип действия этих добавок следующий заключается в том, что для них характерно, то, что при взаимодействии с известью золы в присутствии алюминий содержащих фаз портландцементного клинкера и высоко кальциевой золы должна происходить обменная реакция с образованием гидросульфо - и гидрохлоралюминатов кальция в виде фаз AFt и AFm.

nCaO + Ca3(AlO3)2 + 2nNaCl + (m + 1)H2O → 3Ca3(AlO3)2•nCaCl2•mH2O + 2nNaOH, (1)

nCaO + Ca3(AlO3)2 + nNa2SO4 + (m + 1) H2O → 3Ca3(AlO3)2•nCaSO4•mH2O + 2nNaOH,       (2)

где n = 1 или 3; m = 10–12 или 30–32.  

При этом будет ускоряться гидратация СаО свободной золы, и высвобождаться в поровый раствор щёлочь NaOH.

     Применение химических добавок (таких как NaCl и Na₂SO₄) на этапе твердения еще сильнее улучшает прочность бетона. Так, добавка Na₂SO₄ ускоряет нарастание пластической прочности золо - цементной системы на 18 %. Добавка хлорида натрия также сокращает сроки набора пластической прочности (на 10 %), хотя и в меньшей степени, чем сульфат натрия. 

5 Сырьевые материалы

     Для приготовления легких бетонов применяют портландцемент, быстротвердеющий портландцемент и шлакопортланд-цемент.

В качестве заполнителей для легких бетонов используют природные и  искусственные сыпучие пористые материалы с насыпной плотностью не более 1200 кг/м3 при крупности зерен до 5 мм (песок) и не более 1000 кг/м3 при крупности зерен 5...40 мм (щебень, гравий).

     При классификации пористых заполнителей различают пористые природные заполнители вулканические и осадочные, а искусственные -специально изготовленные и твердые отходы промышленности. В группу заполнителей вулканического происхождения входят щебень и песок из пемзы, вулканического шлака, туфа и туфовых лав. К заполнителям осадочного происхождения относятся пористые известняки и известковые туфы, опока, трепел, диатомиты. В качестве пористых заполнителей могут служить разнообразные· отходы промышленности: топливные и металлургические шлаки, зола-унос и золошлаковые смеси, керамический болт.

Специально изготовленными пористыми  заполнителями являются керамзит и  его разновидности (шунгизит, зольный гравий, глинозольный керамзит и др.), аглопорит, шлаковая пемза, гранулированный шлак, вспученный перлит и вермикулит. Их специально· получают в видегравия, щебня и песка в результате термической обработки глинистого, зольного, шлакового и другого минерального сырья.

     В результате выделения газообразных продуктов за счет выгорания органических примесей и добавок, парообразования или других процессов происходит вспучивание минерального сырья при обжиге. При этом в процессе обжига его значительная часть переходит врасплав, который должен иметь определенную вязкость· для удерживания газообразных продуктов. Технологический процесс получения искусственных пористых заполнителей включает подготовку исходного сырья, его термическую обработку, дробление и сортировку.

Важнейшими показателями свойств  пористых заполнителей являются насыпная плотность, плотность и прочность  зерен, зерновой состав, водопоглощение, деформативность, морозостойкость,. стойкость против распада, теплопроводность.

     Наиболее широко в легких бетонах применяют крупный пористый заполнитель фракции 10-20 мм, а также возможно использование фракций5-10 и 20-40 мм. Объем межзерновых пустот уменьшается по мере приближения к единице коэффициента формы заполнителя – отношения наибольшего размера зерна к наименьшему. Для гравия объем межзерновых пустот меньше, чем для щебня.

Водопоглощение заполнителя зависит  как от величины общей пористости, так и от структуры парового пространства. Значительно снижаетводопоглощение  наличие на поверхности зерен оплавленной корочки. Для керамзитового гравия, имеющую такую корочку, объемное водопоглощение почти в два раза ниже, чем для щебня, который такой корочки не имеет.

     Прочность пористых заполнителей определяют сдавливанием зерен в цилиндре стальным пуансоном на заданную глубину. При этом находят величину напряжения, которая и принимается в качестве показателя условной прочности. Однако этот показатель зависит от формы зерен и пустотности смеси, поэтому применяют специальные коэффициенты для перевода условной прочности заполнителя к действительной прочности заполнителя, характеризующей его марку. Для пористых заполнителей установлено 11 марок по прочности: П25, П35, П50, П75, П100, П125,П150, П200, П250, П300 и П350.

Модуль упругости пористых заполнителей значительно ниже, чем плотных. Это обусловливает одну из наиболее существенных особенно стейлегких бетонов - их повышенную деформативность.

Керамзит занимает первое место  по объему производства из всех искусственных  пористых заполнителей. Для его изготовления наиболее пригодны легкоплавкие глинистые породы, характеризуемые способностью вспучиваться при обжиге.

Химический состав этих пород находится  в следующих пределах: 50-55% - Si02, 15-25%-АI2Оз, до 3%-СаО, до 4%-МgО, 6,5-10%-(Fе20з++FeO), 3,5-5%-(Nа2О+К2О). Они не должны содержать более 30 % песчаных и пылеватых частиц, а также карбонатные частицы крупнее 0,2мм, гипс и более 1-2 % тонкодисперсных органических примесей. В качестве сырья для производства керамзита применяют также золу ТЭС или золошлаковую смесь.

     Керамзитовое сырье должно иметь коэффициент вспучиваемости (отношение объема вспученной к объему сырцовой гранулы) не менее 2,температуру обжига не выше 1523 К, интервал вспучивания не менее 50 К.

Различают сухой, пластический и мокрый способ производства керамзита. Сухой способ применяют при использовании камнеподобногоглинистого сырья (сланцы, шунгиты, аргиллиты и др.), мокрый - хорошо размокаемого сырья, разводимого до влажности пульпы около 50%.

     Наибольшее распространение получил пластический способ (рис. 1), при котором из      рыхлого глинистого сырья после предварительной переработки до состояния пластичной массы формуются гранулы влажностью до 20 %, последние после подсушки или сразу направляют вовращающуюся печь. Для улучшения свойств керамзита в глиняную массу иногда вводят железистые и органические добавки. Гранулынаправляют во вращающиеся печи, где сначала постепенно нагревают до 470-880 К, а затем быстро поднимают температуру до 1б50 К Послео бжига керамзит охлаждается, фракционируется и поступает на склад готовой продукции.

Керамзитовый гравий выпускают  первой и высшей категории качества десяти марок по насыпной плотности: 250, 300, 350, 400, 450, 500,550, 600, 700 и 800. Каждой марке  по плотности соответствует определенная марка керамзита по прочности. Заполнитель не должен содержать известковых и других включений, обусловливающих потерю в массе пробы при кипячении более 5 %, должен выдерживать не менее15 циклов попеременного замораживания и оттаивания с потерей массы не более 8 % (для гравия высшей категории качества 5 %). Среднее значение коэффициента формы заполнителя для керамзита должно быть 1,5. Водопоглощение за 1 ч для керамзита с плотностью до 400 кг/м3должно составлять не более 25 %, 450-600 кг/м3-20 %, 700-800 кг/м3 - 15%. Для гравия высшей категории качества нормируется коэффициент вариации по насыпной плотности и прочности соответственно 5 и 15% за 12 предыдущих месяцев.

     Аглопорит получают в виде щебня спеканием малопластичных глинистых пород, которые при обжиге не вспучиваются, или промышленных отходов добычи и обогащения углей, топливных шлаков и золы ТЭС. В шихту для производства аглопорита вводят топливную добавку -каменный уголь. Содержание топлива в шихте может колебаться от 6 до 12 %. При подготовке шихты сырье дробят, смешивают, увлажняют игранулируют. Зерновой состав шихты должен обеспечивать ее оптимальную газопроницаемость.

Основная технологическая операция при производстве аглопорита - спекание шихты на решетке агломерационной  машины непрерывного (рис.6.2) или периодического действия. Под решеткой в вакуум-камере создают разрежение, благодаря которому происходит просос воздухачерез шихту. За счет горения угля в шихте развивается температура до 1300 К и выше, что приводит к ее спеканию в виде пористойостеклованной массы. Спекшийся аглопоритовый корж дробят на щебень и песок

Аглопоритовый щебень выпускается  крупностью от 5 до 40 мм шести марок  по насыпной плотности: 400, 500, 600, 700, 800 и 900.

     Прочность аглопоритового щебня при одинаковой плотности значительно меньше, чем керамзита.

     Требования к морозостойкости аглопорита аналогичны требованиям к керамзитовому гравию. Среднее значение коэффициента формы аглопоритового щебня составляет 2-2,5, потеря массы пробы аглопоритового щебня при прокаливании - не более 3%. Для аглопоритадополнительно предъявляется требование к стойкости против силикатного и железистого распада.

Разработана технология производства аглопоритового гравия из золы ТЭС, по которой в результате агломерации  сырья образуются неспекшийся корж, а обожженные гранулы. Сущность технологии производства аглопоритового гравия заключается в получении сырцовыхзольных гранул крупностыо 10-20 мм, укладке их на колосники ленточной агломерационной машины слоем толщиной 200-300 мм и термической обработке. Горн агломерационной машины состоит из' двух секций - подсушки и зажигания. Слой гpaнул сначала подсушивается и подогревается, а затем производится зажигание и обжиг.      Благодаря высокой газопроницаемости шихты сквозь слой просасывается большое количество воздуха, в результате чего создается окислительная среда п гранулы между собой не спекаются. Для производства аглопоритового гравия используются золы с интервалом плавкости не менее 50-100 К и содержанием оксидов железа не менее 4 %.

     Аглопоритовый гравий выпускают четырех марок по насыпной ПЛОТНОСТII -500, 600, 700 и 800 и семи марок по прочности - ОТ П50 (предел прочности при сдавливании ,в цилиндре 1-1,29 МПа) до П250 (3 МПа и более). Расчеты показывают, что замена 1 млн. м3 привозногоприродного щебня аглопоритовым гравием из золы местной ТЭС лишь за счет сокращения транспортных расходов при перевозках нарасстояние 500-1000 км дает экономию около 2 млн. руб.

     Шлаковая пемза (термозит) - один из наиболее эффективных видов искусственных пор истых заполнителей. Ее получают поризацией шлаковыхрасплавов в результате их быстрого охлаждения водой, воздухом или паром.

Размер пор шлаковой пемзы в  зависимости от способа получения  колеблется от 0,04 до 4,5 мм, пористость - 52-78%, а водопоглощение -10-55 %. Щебень выпускают с насыпной плотностью 300-800 и марками по прочности 25-150.