К.т.н. Долотова Р.Г., д-р. т. н. Верещагин В.И., к.т.н. Смиренская В.Н.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Ячеистые бетоны с использованием полевошпатово-кварцевых песков

Перспективными и наиболее эффективными изделиями теплоизоляционного и конструктивно-теплоизоляционного назначения являются строительные изделия из ячеистых бетонов, которые имеют ряд характеристик, отличающих их от многих традиционных строительных материалов. Они характеризуются низкими значениями объемной плотности и коэффициента теплопроводности, хорошими показателями прочности и долговечности. Изделия из них наилучшим образом адаптированы к сложному сибирскому климату. Ячеистый бетон является долговечным, надежным материалом, который можно изготовить из существующего местного сырья с использованием отходов производств. В настоящее время разработаны и функционируют различные технологии и виды оборудования, позволяющие получать изделия с высокими характеристиками.

Одним из наиболее важных вопросов в организации производства ячеистого бетона является поиск и исследование кремнеземсодержащей сырьевой базы с целью изготовления строительных материалов с необходимыми свойствами. В современной строительной практике, использующей более 1000 видов различных по природе, свойствам и назначению сырьевых материалов, исключительно важное место принадлежит как природным, так и техногенным материалам, позволяющим организовать производство эффективных строительных изделий с заданным набором эксплуатационных свойств и востребованных на рынке местных строительных материалов. Традиционно в составах ячеистых бетонов в качестве кремнеземистого компонента применяется хорошо изученный кварцевый песок, содержащий не менее 90 % SiO₂ [1, 2], но в отдельных регионах России кварцевые пески отсутствуют. Доступными источниками местного кремнеземистого сырья, как потенциального резерва минерально-сырьевой базы промышленности строительных материалов, являются полевошпатово-кварцевые пески, использование которых в производстве ячеистых бетонов предусматривается минимумом требований соответствующих стандартов.

Объектом исследования в данной работе являются полевошпатово-кварцевые пески в качестве заполнителя неавтоклавного ячеистого бетона, которые по своим запасам перспективны для организации материалоемкого производства строительных материалов, причем выбор кремнеземсодержащего материала обусловлен его нахождением в конкретном экономическом районе.

В данной работе проводились:

- комплексные исследования свойств и оценка пригодности полевошпатово-кварцевых песков для неавтоклавных ячеистых бетонов;

- разработка технологических приемов подготовки сырья;

- оптимизация составов и изучение особенностей протекания физико-химических процессов формирования фазового состава, структуры и свойств ячеистого бетона.

Проведенные комплексные исследования на соответствие ряду требований ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия» позволили оценивать качество и пригодность полевошпатово-кварцевых песков в качестве заполнителей неавтоклавного ячеистого бетона и экономической целесообразности, в том числе оптимальных транспортных затрат по доставке сырья на производство и готовой продукции к потребителю.

Физико-механические свойства полевошпатово-кварцевого песка, представленные в таблице 1, в целом удовлетворяют требованиям стандарта, предъявляемым к кремнеземистым заполнителям ячеистого бетона.

Таблица 1 – Физико-механические свойства полевошпатово-кварцевого песка

Материал	Истинная плотность, кг/м^3	Насыпная плотность, кг/м^3	Пористость слоя материала, %	Естественная влажность, %
Полевошпатово-кварцевый песок	2850	1600	44	5,0

Анализ диаграмм распределения гранулометрического состава позволяет классифицировать его как среднезернистое, что не обеспечит качественного процесса поризации и достаточной устойчивости (стабилизации) ячеистобетонных масс при их газовспучивании и вызревании. Поэтому при исследовании процессов подготовки кремнеземсодержащего заполнителя производился его помол до различной удельной поверхности 1500-6000 см²/г, и установлено, что помол песка до удельной поверхности 2500 см²/г, обеспечивающей необходимую степень дезинтеграции кристаллов основных минералов исследуемой породы, позволяющую прогнозировать повышение химической активности и определить возможности последующего фракционирования измельченных материалов с достаточным уровнем выхода полезного продукта для получения высококачественных ячеистобетонных изделий с повышенным уровнем эксплуатационных свойств. По данным петрографического и рентгенофазового методов анализа основными породообразующими минералами песка являются b-кварц и минералы полевых шпатов в различном соотношении (ортоклаз, альбит, анортит) представленные зернами угловатой формы с шероховатой и раковистой поверхностью.

Сравнительный анализ химического состава исследуемого сырья (табл. 2) показал, что полевошпатово-кварцевый песок не отвечает требованиям, предъявляемым к кремнеземистым заполнителям для технологии ячеистого бетона, причем с увеличением степени дисперсности содержание щелочных оксидов увеличивается, что свидетельствует о более выраженной полевошпатовой минерализации более тонких фракций песка и согласуется с данными рентгенофазового анализа.

Таблица 2 – Средний химический состав полевошпатово-кварцевого песка

Материал	Содержание оксидов, % (мас)
	SiO2	AI2O3	Fe2O3	CaO	MgO	R2O	∆M пр	Прочие
Полевошпатово-кварцевый песок	65,74	8,67	3,97	7,10	5,47	5,50	2,64	1,60

В соответствии с требованиями стандартов исследуемое в работе сырье может быть классифицировано как малоактивное в проявлении силикатной активности, которая изменяется от 25 до 30 мг/г и увеличивается для фракционированных продуктов до 38 мг/г.

Таким образом, комплексные исследования состава и свойств, предложенного песка показали его принципиальные отличия по химическому и минералогическому составам от традиционно применяемых заполнителей в технологии ячеистых бетонов. Поэтому далее исследовалось его поведение в составе ячеистобетонных масс, с целью определения оптимального содержания и дисперсности.

При разработке составов ячеистобетонных масс, руководствовались расчетными значениями объемной плотности 300 – 600 кг/м³. В качестве вяжущего использовался портландцемент Топкинского цементного завода марки 400, для активизации процесса вспучивания ячеистобетонных масс использовалась известь, а порообразователем служила алюминиевая пудра ПАП-1. Количество кремнеземистого компонента, вводимого в ячеистобетонную массу, изменялось от 20 до 80%. Газобетонная смесь готовилась по общепринятой методике [2]. Тепловлажностная обработка изделий проводилась в пропарочной камере при атмосферном давлении и температуре 90 °С по режиму 1,5 – (6…8) – (1,5…2) часа для завершения процессов твердения.

Введение в ячеистобетонные массы песка крупных (0,63-0,315 мм) фракций приводит к формированию неравномерной пористой структуры с деформированными различным образом порами и с изменением геометрии и плотности межпоровых перегородок (рис. 1, а), что приводит к снижению прочности готового изделия до 10 %. При использовании в составе ячеистобетонных масс тонких фракций песка-заполнителя формируется более однородная поровая структура с выдержанными без дефектов размерами пор от 0,3 до 1 мм, которые формируют ячеистую структуру, представленную порами овальной или округлой формы и ровную без раковин и трещин поверхность межпоровых перегородок. Полидисперсный характер распределения пор обеспечивается равномерным распределением пор меньших размеров между порами больших размеров, (рис. 1, б, в).

10 мм

10 мм

10 мм

в)

а)

б)

Рис. 1. Макроструктура неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка: а) фракции песка 0,63-0,315; б) фракции песка 0,315-0,14; в) фракции песка 0,14 и менее

Использование электронной микроскопии при сверхвысокой разрешающей способности позволило описать морфологические особенности гидратных фаз. Микроскопические исследования межпоровых перегородок газобетона показывают, что новообразования состоят из сферолитов, мельчайших игольчатых и нитевидных кристаллов (рис. 2) характерных для низкоосновных гидросиликатов кальция, что подтверждается данными рентгенофазового и комплексного термического анализа.

10 мкм

10 мкм

10 мкм

в

а

б

Рис. 2. Микрофотографии порового пространства и межпоровой перегородки неавтоклавного газобетона на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевого песка: а) внутренняя поверхность поры; б, в) межпоровые перегородки при разном увеличении

На основании проведенных в работе исследований разработана технологическая схема производства неавтоклавного газобетона с использованием полевошпатово-кварцевого песка, отличительной особенностью, которой, является определенная последовательность введения сырьевых компонентов и технологических добавок на стадии приготовления ячеистобетонной массы. В таблице 3 приведены эксплутационные свойства полученного строительного материала.

Таблица 3 – Характеристика свойств газобетона с использование полевошпатово-кварцевого песка

Заполнитель	Средняя плотность, кг/м^3	Предел прочности при сжатии, МПа	Класс прочности	Морозостой-кость, циклы	Коэффициент теплопровод-ности, Вт/м ^0С
Полевошпатово-кварцевый песок	500 800	2,65 4,30	В2,5 В3,5	35 35	0,12 0,23

Таким образом, разработанные составы ячеистобетонных масс на основе портландцемента с использованием заполнителей полевошпатово-кварцевой минерализации позволяют получать газобетонные изделия неавтоклавного твердения различного функционального назначения с повышенным уровнем эксплутационных свойств и гарантированным классом прочности.

Литература:

1. ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия». – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 26 с.

2. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона (СН 277-80). – М.: Стройиздат, 1981. – 44 с.

3. Бутт Ю.М. Химическая технология вяжущих материалов. – М.: Высшая школа, 1980. – 472 с.