ГлавнаяМногочисленными исследованиями было установлено, что шлаки от кускового (слоевого) сжигания антрацита и каменных углей, а также шлаки от пылевидного сжигания бурых углей, отделенные от тонкодисперсной золы, обладают достаточной прочностью и высокой стойкостью и после обогащения (часто простого отсева мелочи) применимы для изготовления различных легкобетонных изделий, в том числе и для наружных стен.
Шлаки же от слоевого сжигания бурых углей или их смеси с каменным углем и антрацитом в большинстве своем непригодны для легких бетонов, так как несгоревший уголь, а также неорганическая часть таких углей являются недостаточно атмосферостойкими и прочными.
Для улучшения качества этих шлаков как заполнителя для легких бетонов рекомендуется подвергать их специальной интенсивной тепловой обработке — спеканию методом агломерации главным образом за счет содержащегося в них несгоревшего угля. Получаемый в результате такой тепловой обработки по существу новый материал — аглопорит — по своим основным физико-механическим свойствам пригоден для изготовления различных легкобетонных изделий для наружных и внутренних стен, перегородок, перекрытий и др., как армированных, так и неармированных.
В настоящее время в связи с газификацией народного хозяйства, с переходом энергетической промышленности на сжигание топлива в пылевидном состоянии, а также электрификацией железных дорог выход стойких топливных шлаков резко сократился и, наоборот, в отвалы выбрасывается все больше и больше нестойких шлаков и зол от сжигания многозольного топлива.
Поэтому в последние годы в нашей стране и за рубежом особое внимание приобретает проблема получения из них дешевых пористых заполнителей. Предложен ряд способов переработки зол и нестойких шлаков в пористый щебень и гравий путем спекания на решетках агломерационных машин или обжига в различных печах, а также получения безобжигового легкого зольного гравия.
Весьма эффективным заполнителем для легких бетонов является шлаковая пемза, получаемая искусственным вспучиванием (вспениванием) расплавов металлургических шлаков с последующим дроблением глыб и рассевом продукта дробления на фракции. Эффективность этого материала объясняется тем, что для производства шлаковой пемзы используют готовый расплав при температуре около 1300° С, поризацию которого осуществляют путем быстрого охлаждения водой, воздухом или паром.
Технические требования к искусственным пористым заполнителям регламентированы ГОСТ 9757—61. По этому стандарту они подразделяются на две подгруппы: отходы промышленности и специально изготовленные. K последней подгруппе относятся шлаковая пемза, аглопоритовый щебень и песок, гранулированный металлургический шлак.
По крупности зерен искусственные пористые заполнители делятся на фракции до 1,2 и от 1,2 до 5 мм для песка (соответственно мелкий и крупный); от 5 до 10, от 10 до 20 и от 20 до 40 мм для гравия и щебня.
По зерновому составу каждой фракции или их смеси должно быть не более 10% по объему зерен крупнее предельного размера фракции; от 30 до 70% зерен величиной, равной полусумме наименьшего и наибольшего размера фракции, и не более 10% зерен мельче наименьшего размера фракции.
По показателям объемного насыпного веса в кг/м3 в сухом состоянии по ГОСТ 9760—61 предусматривают три основные марки шлаковой пемзы — 400, 600 и 800 и одну дополнительную — 1000 для высокопрочных легких бетонов. Требования к насыпному весу шлаковой пемзы марок 400 и 600 отличаются от общих: марка 400 должна иметь объемный насыпной вес не более 400 кг/м3, причем нижний предел не нормируется, а марка 600 — от 401 до 600 кг/м3.
Для других пористых заполнителей из шлаков и зол по стандарту предусматривается их деление на марки: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800 и 1000 для щебня, гравия и песка и 1200 только для песка.
Обычно аглопоритовый щебень, песок и зольный гравий в зависимости от крупности фракций имеют марки от 400 до 1000.
В зависимости от насыпного объемного веса искусственных пористых заполнителей к ним предъявляются определенные требования в отношении прочности их зерен. По ГОСТ 9758—61 прочность последних устанавливают определением усилия в кГ/см2 сжатия слоя зерен высотой 100 мм в стальном цилиндре диаметром 120 мм на глубину 20 мм.
Требования к прочности шлаковой пемзы (ГОСТ 9760—61) и аглопоритового щебня (ГОСТ 11991—66) приведены в табл. 117.
Для аглопоритовых щебня и песка потери при прокаливании не должны превышать 3%.Все искусственные пористые заполнители должны выдерживать не менее 15 циклов переменного замораживания и оттаивания с потерей в весе не более 10%, не должны содержать включений извести (приводящих к разрушению зерен щебня или гравия после кипячения в течение 4 ч), должны быть устойчивы против всех видов распада.
Основные физико-механические свойства пористых заполнителей из шлаков и зол приведены в табл. 118.
Лабораторией пористых заполнителей ВНИИСТРОМ проведены сравнительные испытания легких бетонов на различных пористых заполнителях: керамзитовом гравии, аглопоритовом щебне, шлаковой пемзе и др. Определялось влияние заполнителей на объемный вес, прочность, теплопроводность, сорбционную влажность и другие свойства легких бетонов. Образцы изготовляли из бетонов на портландцементе активностью 340 кГ/см2, уплотняли их вибрированием, а затем пропаривали.В табл. 119 приведены данные об объемном весе крупнопористого (однофракционного) и плотного бетона марок 50—100, из которых следует, что бетоны на аглопорите и шлаковой пемзе имеют повышенный объемный вес.
Расходы цемента для крупнопористого бетона марок 50—100 на аглопорите и шлаковой пемзе больше, чем на керамзите, так как межзерновая пустотность этих заполнителей больше, чем керамзитового гравия. В легких же бетонах плотного строения наблюдается обратное явление (расход цемента уменьшается на 20—30%). При этом следует отметить, что для обеспечения стойкости бетона на всех видах пористых заполнителей и сохранности арматуры расход портландцемента на 1 м3 бетона должен быть не менее 200 кг для армированных изделий и 150 кг для неармированных.Коэффициент теплопроводности легких бетонов на аглопорите и шлаковой пемзе в сухом состоянии при одинаковых объемных весах и постоянном зерновом составе заполнителей несколько меньше, чем у керамзитобетона. Особенно значительное различие по коэффициенту теплопроводности по сравнению с керамзитобетоном Имеет шлакопемзобетон с объемным весом 1300 кг/м3 и более. Так, при объемном весе 1400 кг/м3 керамзитобетон имеет среднее значение коэффициента теплопроводности 0,4 ккал/м*ч*град, а легкий бетон на шлаковой пемзе -0,27 ккал/м*ч*град.
С увеличением влажности бетонов коэффициент теплопроводности керамзитобетона возрастает в большей степени, чем шлакопемзобетона. При прочих равных условиях легкие бетоны на шлаковой пемзе и аглопорите имеют меньшее сорбционное водопоглощение, чем перлитобетон и керамзитобетон.
Технико-экономические расчеты показывают, что стоимость 1 м2 стены из легких бетонов марки 50 на различных пористых заполнителях колеблется в широких пределах а зависимости от объемного веса бетонов (табл. 120).
Из табл. 120 следует, что при данном заполнителе наиболее эффективны стены из бетона с наименьшим объемным весом. Однако если при этом учитывать теплопроводность легких бетонов, то при равных коэффициентах теплопроводности шлакопемзобетона объемного веса 1400 кг/м3 и керамзитобетона объемного веса 1100 кг/м3 стоимость 1 м2 стены из первого материала составит 12,65 руб., а из второго—14,42 руб., или на 11% выше.
Таким образом, применение шлаковой пемзы для получения бетона с объемным весом 1400 кг/м3 и использование изделий из нее в наружных стенах эффективнее, чем керамзитобетона с объемным весом 1 100 кг/м3.
Тонкодисперсные отходы энергетической промышленности — золы — могут успешно использоваться не только для изготовления аглопорита, но и непосредственно для получения близкого по свойствам к легким бетонам материала — плотного золобетона. Особенностью этого бетона является то, что в нем отсутствует крупный пористый заполнитель, а высокая пористость материала достигается применением бетонных смесей (благодаря высокой дисперсности золы) с большим начальным водосодержанием. При твердении вяжущего связывается лишь часть воды, оставшаяся большая часть воды затворения, равномерно распределенная в бетонной смеси, способствует образованию общей микропористой структуры золобетона.В зависимости от качества золы (технические требования к которой приведены ниже), вида применяемого вяжущего, условий приготовления и уплотнения золобетонной смеси, способа тепловой обработки и др. золобетон различается по своим основным свойствам.
Исследованиями НИИЖБ, МИСИ им. В. В. Куйбышева, ряда производственных лабораторий и др., а также опытом изготовления и применения в строительстве изделий из плотного золобетона в Курахове, Краснотурьинске, Нижнем Тагиле, Ангарске и др. доказана возможность получения золобетонов со следующими свойствами:
1. Объемный вес в сухом состоянии в зависимости от начального водозатворения и условий уплотнения смеси от 800 до 1800 кг/м3 и более.
По объемному весу в высушенном состоянии золобетон разделяют на особо легкий с объемным весом до 1000 кг/м3, легкий с объемным весом от 1000 до 1800 кг/м3 и среднего веса с объемным весом более 1800 кг/м3.
2. Прочность при сжатии в сухом состоянии от 10—15 до 300—400 кГ/см2. По пределу прочности при сжатии кубов размером 20x20x20 см, испытываемых через 28 суток твердения в нормальных условиях, золобетон разделяют на марки: 5, 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 250, 300 и 400.
3. Коэффициент размягчения в зависимости от условий твердения от 0,6 до 0,95.
4. Морозостойкость от 5 до 150 циклов замораживания и оттаивания. По степени морозостойкости различают золобетоны, выдерживающие 5, 10, 15, 25, 50 и 100 циклов замораживания и оттаивания в воде.
5. Теплопроводность в зависимости от объемного веса от 0,25 до 0,75 ккал/м*ч*град.
Однако использование зол для производства золобетонных изделий до настоящего времени не получило еще надлежащего развития. В значительной мере это объясняется их большой неоднородностью и высокой влажностью золобетонных изделий после тепловой обработки. Уже в начальных стадиях применения золобетонных стеновых материалов была обнаружена недостаточная стойкость их против атмосферных воздействий.
Исследованиями, проведенными Ю.С. Буровым в МИСИ им. В.В. Куйбышева, обнаружено, что одной из основных причин, наблюдаемой иногда недостаточной стойкости золобетонов в стеновых конструкциях, является способность этих бетонов вследствие особенностей их структуры значительно деформироваться при изменении влажности и температуры. При эксплуатации в золобетонах из-за большого их общего, капиллярного и адсорбционного увлажнения и незначительной водоотдачи возникают условия для неравномерного высыхания изделий по сечению и развития вследствие этого неравномерных объемных изменений и связанных с ними вредных механических напряжений, которые при низкой прочности при растяжении золобетона приводят к появлению на наружных поверхностях сети микротрещин и постепенному ослаблению материала.
Вредное воздействие растягивающих напряжений при этом, по-видимому, углубляется химическими превращениями в цементирующем веществе на поверхности изделий. В.Н. Юнгом в свое время было показано, что при высыхании вследствие увеличения пористости материала в поверхностных слоях под воздействием углекислоты воздуха происходит разложение в цементирующем камне гидросиликатов кальция на не связанные между собой карбонат кальция и свободный кремнезем. Как показали исследования Е.С. Силаенкова и др., карбонизация цементирующих новообразований сопровождается значительными деформациями усадки, превосходящими по величине усадочные деформации от изменений влажности бетона.
Непосредственные испытания золобетонных образцов на долговечность путем переменного замораживания и оттаивания и переменного увлажнения и высушивания подтвердили эти выводы.
Золобетоны сравнительно легко выдерживают 25—35 циклов замораживания и оттаивания. Менее благоприятные результаты получены при увлажнении и высушивании.
Стойкость золобетонов против переменных воздействий увлажнения и высушивания Ю. С. Буровым характеризовалась изменениями веса и прочности. Замерялись также их деформации при увлажнении и высушивании. Сушка образцов в течение 8 ч при 85—100°C осуществлялась в специальной сушильной камере, работающей с частичной рециркуляцией отработанного воздуха, а увлажнение — погружением образцов на 16 ч в воду при температуре 20±5° С.
Исследования показали, что в золобетонах уже после 35—50-циклов высушивания и увлажнения наблюдается значительное снижение прочности, особенно при изгибе. Через 30—40 циклов на большинстве образцов появились поверхностные трещины. Последние первоначально были заметны только в момент увлажнения, но затем по мере увеличения циклов увлажнения и высушивания обнаруживались и на сухих образцах.
При этом же после первых циклов испытаний наблюдалось постепенное набухание образцов. В частности, на золе от сжигания Черемховского угля после 10 циклов удлинение образцов достигало 0,8—1,16 мм/м, а после 20 циклов — 1—1,8 мм/м.
Набухание образцов в этом случае, по нашему мнению, прежде всего объясняется накоплением в них под воздействием чередующихся неравномерных изменений объема необратимых остаточных деформаций, в известной мере сходных с накоплением пластических деформаций от многократных знакопеременных механических нагрузок.
Было обнаружено, что удлинение золобетонных образцов при увлажнении и высушивании в значительной мере зависит от условий уплотнения бетонной смеси и условий твердения.
Чем интенсивнее уплотнение смеси, чем более совершенен способ тепловой обработки, тем меньше набухание образцов при увлажнении и высушивании.
Введение в золобетон добавок гранулированного доменного и топливного шлаков в количестве до 25—30% от веса золы также замедляет процесс накопления в бетоне необратимых остаточных деформаций. Золобетоны с добавками шлака обнаружили через одинаковое количество циклов испытаний удлинение, примерно вдвое меньшее, чем «чистые» золобетоны.
Наконец, следует указать, что опасность возникновения вредных растягивающих напряжений в золобетонных изделиях будет меньшей, если перед установкой их в конструкции проводить искусственную сушку, обеспечивающую пониженное содержание влаги и более равномерное распределение ее по отдельным зонам. Кроме того, полезно также защищать золобетоны от непосредственного воздействия воды и ветра защитными окрасками, одновременно являющимися и декоративными.
Проведение указанных мероприятий, как показывает практика, позволяет на базе зол получать из золобетонов изделия, стойкие против атмосферных воздействий.