книги / Силикатные и полимерсиликатные композиты каркасной структуры роликового формирования

6

Сост авы

Рис. 5.7. Прочность каркасных бетонов на различных каркасах и жидкостеколыюй матрице, наполненной диатомитом Матрица н каркасы

111

5
Прочность на растяж ение при изгибе, МПа
	Сост авы
Прочност ь на сж атие, М Па
□ — при вибропропитке	Сост авы
	— при роликовом уплотнении

Рис. 5.8. Прочность каркасных бетонов на различных каркасах и жидкостекольной матрице, наполненной пиритнымн огарками

Матрица и каркасы

112

5

2 3 4

Составы

k

	Сост авы
П — при вибропропитке	— прироликовом уплотнении

Рис. 5.9. Прочность каркасных бетонов на различных каркасах н жидкостскольной матрице, наполненной кварцевым песком

Матрица и каркасы

Как видно, прочность на сжатие и на растяжение при изгибе у соста­ вов, уплотненных роликовым способом, больше в среднем на 10— 15 %, чем при виброуплотнении. Это объясняется тем, что при данном способе

8Заказ687

113

связующее (матрица) более качественно заполняет пустоты каркаса, проис­ ходит образование более плотной структуры. К тому же использование ро­ ликового уплотнения при пропитке каркаса матричными составами способ­ ствует дополнительному их уплотнению.

Основным параметром, характеризующим деформативность материа­ лов при воздействии нагрузок, является модуль упругости. Модуль упруго­ сти каркасных композитов зависит от прочности и деформативности матри­ цы, а также клея каркаса, заполнителей и их взаимодействия друг с другом.

Жесткие клеи позволяют получать композиты с повышенным значени­ ем модуля упругости, а вязкоупругие — с более низким. Увеличить жест­ кость каркасных композитов позволяет введение в состав каркаса дисперс­ ной арматуры и молотого кварцевого песка. При введении пластифици­ рующих добавок как в каркас, так и в матрицу модуль упругости понижает­ ся. Результаты проведенных испытаний различных составов приведены на

1

2

3

4

5

Составы

Рис. 5.10. Зависимость изменения модуля упругости каркасных композитов на гранитном щебне от вида связующего для каркаса

По данным рис. 5.10 можно судить о влиянии связующего каркаса на деформативность получаемого исходного материала при одной и той же силикатной матрице. Таким образом, регулирование вида вяжущего для каркаса в каркасных бетонах позволяет получать композиты с различными свойствами.

В каркасе для каждой пары связующее—заполнитель должно соблю­ даться их оптимальное соотношение. При содержании связующего больше оптимального количества излишки будут стекать с заполнителей на дно формы, заполнять поровое пространство и тем самым затруднять заполне­ ние пустот матричным составом; при недостаточном же его количестве происходит некачественное обволакивание зерен крупного заполнителя и как следствие — снижение прочностных характеристик каркаса.

К пропиточным матрицам каркасных композитов должны предъяв­ ляться требования в части соотношения размеров их наполнителей с разме­ рами заполнителей каркаса, а также вязкости смеси. Зная размер заполни-

114

телей каркаса и толщину пленки связующего на поверхности зерен, допус­ тимую величину крупности наполнителей для пропиточной матрицы под­ бирают по формуле, приведенной в работе [77].

Предельная допустимая вязкость, определяемая по визкозиметру ВП-3, для матриц в случае применения каркаса на гранитном щебне фракции 5— 10 мм не должна быть меньше 15—20 см2, иначе матрица зависает в верхней зоне каркаса. Для каркасных композитов важным является сниже­ ние вязкости наполненных матриц, что позволяет повысить степень напол­ нения пропиточных композиций и тем самым снизить расход дорогостоя­ щих связующих. Для снижения вязкости пропиточных матриц могут быть применены известные способы модифицирования поверхности наполните­ ля, различные пластифицирующие добавки.

Улучшить качество пропитки возможно при помощи различных мето­ дов. Так, в работе [109] показано, что погружение каркаса в матричный со­ став позволяет повысить качество и сократить сроки пропитки.

У образцов из каркасного композита, провибрированных во время пропитки в течение 10 с на вибростоле, повышается прочность при сжатии на 15 % по сравнению с невибрированными. На наш взгляд, перспективным методом формирования каркаса и последующего заполнения его пустот является роликовое уплотнение. Данный метод фактически не рассматри­ вался при формировании каркасного бетона, но, как показывают практика и наши исследования, его применение при изготовлении жестких бетонных смесей наиболее эффективно.

5.5.Химическое сопротивление бетонов

Деградация материалов и конструкций в агрессивных средах происхо­ дит в результате химического взаимодействия среды с компонентами мате­ риала. Как уже было сказано ранее, растворы на основе жидкого стекла имеют хорошее сопротивление в концентрированных кислотах. При их воз­ действии они даже набирают дополнительную механическую прочность. Но они слабо устойчивы к разбавленным кислотам и практически нестойки

вщелочах. Нами были изготовлены образцы бетонов каркасной структуры

ввиде кубиков с размером ребра-40 мм, которые после твердения в течение 28 сут в нормальных температурно-влажностых условиях погружались на 50 сут в 10 %-ный раствор NaOH. Испытанию подверглись 2 состава:

состав 1: каркас: ЖС — 100 мае. ч., КФН — 18 мае. ч. заполнитель

фракции 5— 10 мм — 3 000 мае. ч.; матрица: ЖС —		100 мае. ч., КФН —
18	мае. ч., перлит — 100 мае. ч.;
	состав 2: каркас: ЭД-20 — 100 мае. ч., ПЭПА — 10 мае. ч., заполнитель
фракции 5— 10 мм — 2 300 мае. ч.; матрица: ЖС —		100 мае. ч., КФН —
18	мае. ч., перлит — 100 мае. ч.
	Графики зависимости потери массы композитов от выдерживания в аг­
рессивной среде приведены на рис. 5.11.
8*	115

10 15 20 25 30 35 40 45 50

*	- 0
5	20		2
2	-30		Г
5	-40	Y L“
Б	-50		V — k
С§	"60
	-70

80

Длительность выдерживания, сут

Рис. 5.11. Зависимость изменения массы от времени выдерживания в 10 %-ном растворе NaOH

Рис. 5.12. Зависимость изменения массы от времени выдерживания в воде

Из результатов испытаний следует, что использование при изготовле­ нии композитов эпоксидного каркаса позволяет повысить химическое со­ противление каркасных материалов на жидкостекольных матрицах.

Известно, что сильно агрессивной средой для бетона на жидкостеколь­ ном вяжущем является вода. Прочностные характеристики бетона в целом снижаются на 25—28 % от первоначального уровня. Повысить водостой­ кость, как и химическую стойкость, возможно за счет использования бето­ нов каркасной структуры, так как этот способ изготовления позволяет ис­ пользовать разные связующие для каркаса и пропиточной матрицы. Для данного испытания нами были изготовлены кубики с размером ребра 40 мм, которые после твердения в течение 28 сут в нормальных темпера­ турно-влажностных условиях погружались в воду на 55 сут. Были рассмот­ рены два состава:

состав 1: каркас: ЖС — 100 мае. ч., КФН — 18 мае. ч., заполнитель фракции 5— 10 мм — 3 000 мае. ч.; матрица: ЖС — 100 мае. ч., КФН — 18 мае. ч., перлит— 100 мае. ч.;

116

состав 2: каркас: БН 60/90 — 100 мае. ч., заполнитель фракции 5— 10 мм — 1 300 мае. ч.; матрица: ЖС — 100 мае. ч., КФН — 18 мае. ч., перлит— 100 мае. ч.

Из рис. 5.12 видно, что потеря массы каркасного бетона вплотную за­ висит от вида связующего, используемого для каркаса. На основе этого можно сделать вывод, что выбор связующего для каркаса оказывает непо­ средственное влияние на свойства каркасного бетона. Полученные данные показывают возможность регулирования свойств каркасного бетона путем использования в качестве вяжущего для каркасов и матриц различных вя­ жущих.

5.6. Использование составов на основе щслочно-известково-силикатных стекол и пористых заполнителей для получения

каркасных композитов

Расширение свойств каркасных композитов и области их использова­ ния может быть осуществлено при использовании для клеевой связки и пропитывающей матричной композиции составов, приобретающих прочность при спекании материала, т.е. путем создания каркасных кера­ мических строительных материалов. В качестве заполнителя в них пред­ полагается использовать жаростойкие материалы, незначительно изме­ няющиеся при обжиге. Каркасная технология получения керамического материала предусматривает предварительное склеивание каркаса из зерен крупного жаростойкого заполнителя связующим с последующим запол­ нением пустот каркаса матричным составом, приобретающим прочность за счет спекания матричного материала при высокотемпературной обра­ ботке [84].

Получение керамических материалов по каркасной технологии имеет ряд преимуществ, среди которых можно отметить следующие. При исполь­ зовании в качестве крупного заполнителя в каркасах жаростойких материалов появляется возможность уменьшить усадку изделия при сушке и обжиге. Полу­ ченный вначале жесткий каркас из крупного заполнителя после отвержде­ ния клеевой связки можно использовать как объемный несущий элемент, воспринимающий собственный вес пропитывающей матрицы, и произво­ дить сушку пропитанных каркасов без форм. В свою очередь повышенная прочность полуфабриката, достигаемая на стадии сушки пропитанного матрицей каркаса, позволяет решить проблему транспортирования к обжи­ говому агрегату крупноразмерных изделий. Кроме того, каркасная техноло­ гия позволяет получать облегченные крупнопористые материалы, обла­ дающие теплотехническими характеристиками.

Свойства каркасного композита в значительной мере определяются свойствами заполнителя. С целью уменьшения массы и теплопроводности изделий целесообразно использовать легкие пористые заполнители. При

117

увеличении их поверхностной пористости расход связующего (клея) в кар­ касах увеличивается. Поэтому для уменьшения расхода связующего пред­ почтительнее использовать пористые гравиеподобные заполнители, грану­ лы которых имеют округлую форму с оплавленной поверхностью, имею­ щей меньшую поверхностную пористость по сравнению с зернами щебне­ подобного заполнителя.

В производстве пористых заполнителей основное место занимают ис­ кусственные заполнители. Исследования в этой области направлены пре­ имущественно на получение наиболее легких их разновидностей, исполь­ зуемых для бетонов в производстве ограждающих конструкций. В настоя­ щее время в промышленных масштабах производится целый ряд крупных (с размером зерен от 5 до 40 мм) искусственных пористых заполнителей гравиеподобной формы, устойчивых к воздействию высоких температур. К ним относятся такие виды гравия, как керамзитовый, шунгизи говый, аглопоритовый, глинозольный, гравий из кремнистых пород (термолит) [100]. Прошли опытно-промышленную проверку и внедряются в производство азеритовый гравий, дацизит, гранулированное пеностекло.

Основными техническими свойствами пористого гравия являются: на­ сыпная плотность, прочность, стойкость, зерновой состав, пористость, ха­ рактер поверхности зерен, водопоглощение, теплопроводность. Дальней­ шее улучшение свойств легких заполнителей идет по пути создания сверх­ легких гранул с насыпной плотностью 200 кг/м3 и менее, имеющих равно­ мерную мелкопоровую структуру и повышенную прочность. В частности, получила развитие разработка заполнителей на основе стеклообразных от­ ходов промышленности.

К керамзитовому, шунгизитовому и аглопоритовому гравию предъяв­ ляются следующие требования [66]: насыпная плотность — от 250 и менее до 600 кг/м3 для керамзитового гравия, 400—700 кг/м3 — для шунгизитового, 500—900 кг/м3 — для аглопоритового. По размеру гранул гравий под­ разделяют на следующие основные фракции: от 5 до 10 мм, от 10 до 20 мм, от 20 до 40 мм. Зерновой состав каждой фракции гравия должен находиться в следующих пределах: полный остаток на сите, % по массе, d — от 85 до 100; D — до 10; 2D — не допускается (где D, d — соответственно наи­ больший и наименьший номинальные диаметры контрольных сит). Проч­ ность (при сдавливании в цилиндре) керамзитового и шунгизитового гравия для наименьшей марки по прочности П15 должна составлять до 0,5 МПа, для наибольшей марки П400 — свыше 10 МПа. Прочность аглопоритового гравия для наименьшей марки по прочности П50 — свыше 0,7 до 1,0 МПа, для наибольшей марки П350 — свыше 3,5 МПа. Потеря массы после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания не должна превы­ шать 8 %. Структура аглопоритового гравия должна быть устойчивой про­ тив силикатного распада. Потеря массы при определении стойкости против силикатного распада должна — более 8 %. Потеря массы при кипячении должна быть не более 5 и 4 % соответственно для керамзитового и шунги­ зитового гравия.

118

По данным, приведенным в литературе [57], азеритовый гравий имеет следующие свойства: насыпная плотность фракций 5— 10 и 10—20 мм — 490— 542 кг/м3; прочность (при сдавливании в цилиндре) — 4,2— 10 МПа; межзерновая пустотность — 39,8— 40,5 %; водопоглощение за 1 ч — 16,3 %, за 48 ч — 15,6— 19,8 %; коэффициент размягчения — 0,7— 0,88.

Дацизит — искусственный пористый материал замкнутой ячеистой структуры гравиеподобной формы, полученный на основе обжига грану­ лированной порошкообразной массы из вулканической дацитовой породы (75— 85 %) и глины (15—25 %). Дацизит согласно [57] имеет следующие физико-механические характеристики: зерновой состав — 5— 10 мм, 10— 20 мм; средняя плотность — 350—700 кг/м3; прочность гравия (при сдавливании в цилиндре) — 1,8— 5,9 МПа; морозостойкость — более 200 циклов; водопоглощение — 3,8—6,0 %.

В последнее время получило развитие производство пористого гравия из тонкоизмельченных отходов стекла (строительного, тарного, экологи­ чески безопасного технического) с использованием вспучивающих доба­ вок (природных карбонатов, золы теплоэлектростанций, сажи). Гранули­ рованная порошкообразная масса обжигается при температуре 790—900 °С. В рабте [177] приводятся следующие технические характеристики гранулированного пеностекла: насыпная плотность — не более 200 кг/м3; средняя плотность гранул — 395 кг/м3 ; пористость гранул — 86 % ; меж­ зерновая пустотность — 42 %; теплопроводность в насыпном состоянии при 20 °С — 0,06— 0,068 Вт/(м • °С); водопоглощение по объему — 1,7— 4 % ; предел прочности (при сжатии в цилиндре) — 0,5— 1,1 МПа; диаметр гранул — 5— 30 мм; коэффициент формы гранул — 1,1— 1,28; морозостойкость по потере массы — 15 циклов. Приведенная технология гранулированного пеностекла предусматривает использование в качестве связки для формования гранул из непластичных стекольных порошков жидкого стекла.

В качестве клея, склеивающего зерна заполнителя, в каркасных кера­ мических материалах может быть использовано натриевое жидкое стекло, обладающее высокой адгезионной способностью к заполнителям из раз­ личных материалов.

Натриевое жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия, имеющий плотность 1,3— 1,5 при содержании воды 50— 70 %.

Для отверждения жидкого стекла в его состав вводят отвердители: кремнефтористый натрий, вещества, содержащие 2-кальциевый силикат (например, нефелиновый шлам — побочный продукт переработки щелоч­ ных алюмосиликатов на глинозем) и т.д. Твердение жидкостекольной связки может происходить и без отвердителей при ее сушке за счет поли­ меризации кремнийсодержащих химических связок при удалении гидро­ ксильно-водородных групп с образованием кремнийполимерного каркаса объемной сетчатой структуры с ячейками типа

119

- S i - O	- S i - ,
I	I

но она не обладает водостойкостью. Следует отметить, что при добавлении в жидкое стекло портландцемента клеевая связка в высушенном состоянии приобретает водостойкость.

Термические превращения гидросиликатов натрия имеют следующие общие черты, приведенные в работе [120]. В начальный период сушки структурообразование происходит в водной щелочной силикатной системе Na20 - S i0 2-H 20 , в которой возможно образование гидросиликатов натрия и безводного метасиликата натрия -N a2S i03. Но безводный метасиликат натрия в гидротермальных условиях при температуре до 100 °С практиче­ ски не образуется. В этих условиях возникают пересыщенные метастабильные растворы с последующим переходом гидратных форм силикатов натрия при испарении влаги в стекловидное состояние [120]. Для образо­ вания более сложных структур нужны более высокие температуры, кото­ рые в присутствии воды требуют повышенного давления и достижимы в условиях автоклава. При дальнейшем нагреве удаление воды при термиче­ ских превращениях гидросиликатов натрия может происходить в широком диапазоне температур вплоть до 300—350 °С. Процесс этот, как правило, многоступенчатый с промежуточными полуаморфными фазами. Удаление конституционной воды сопровождается анионной поликонденсацией, на­ зываемой обычно полимеризацией. Так, двузамещенные ортосиликаты при температуре около 120 °С превращаются в Na2S i0 3, однозамещенные полимеризуются до Na2Si2Os в диапазоне температур 100— 300 °С. Трехзамещенные ортосиликаты вначале распадаются на две фазы — Na2S i0 3 и Na20 , а при температуре выше 400 °С образуется бисиликат — натрия 2Na2S i03 + Na20 -» Na6Si20 7 .

При температуре выше 600 °С силикатная связка обычно начинает взаимодействовать с добавками наполнителей с образованием соединений переменного состава, трудно поддающихся идентификации.

Используя жидкостекольный клей без отвердителей, можно получить водостойкое связующее каркаса только при температурной обработке вы­ ше 900 °С. Следует, однако, отметить, что собственная огнеупорность жидкого стекла составляет около 800 °С и размягчение связующего при обжиге способствует его стеканию и впитыванию пористой поверхностью заполнителя, что препятствует формированию слоя связующего достаточ­ ной толщины на поверхности зерен заполнителя и проведению обжига из­ делий без жаростойких форм вследствие деформации изделий.

Кроме огнеупорности на деформативность каркасов будут влиять площадь контактов зерен каркаса, зависящая от формы и гранулометриче­ ского состава заполнителя, толщина слоя клеевой связки, наличие моди­ фицирующих добавок, изменяющих ее свойства, впитывающая способ-

120