Стеновые материалы на основе горелых пород

В связи с сохранением высоких темпов строительства жилья, объектов соцкультбыта, здравоохранения, роста индивидуального строительства потребность в стеновых материалах возрастает. В настоящее время более 60 % всего объема производимых строительных материалов приходится на кирпич.

Востребованность указанного материала на рынке строительных изделий объясняется его несомненными преимуществами: накапливая тепловую энергию, он медленно и равномерно отдает тепло, сохраняя комфортные условия помещения в зимнее время, и защищает дом от чрезмерного нагревания летом. Кирпичная стена паропроницаема – она «дышит», пропуская влагу (в результате в помещениях поддерживается уровень равновесной влажности) в отличие от многих современных материалов, изготовленных по технологиям, малоизвестным в эксплуатации, зачастую несущим угрозу здоровью и самочувствию людей. Недостатком полнотелого кирпича можно считать относительно высокую плотность и теплопроводность.

Важной задачей в современных условиях выступает увеличение производства эффективных стеновых материалов с использованием имеющихся производственных фондов и с наименьшими затратами энергии на их производство. Для повышения теплофизических свойств стеновых материалов необходимо шире использовать местные пористые горные породы и производственные отходы.

Использование горелых пород (глиежей), являющихся попутным продуктом при добыче угля, для производства местных стеновых строительных материалов экономически целесообразно, так как они сочетают в себе ряд положительных свойств - низкую плотность, необходимую прочность и декоративность. Особенность горелых пород – высокая микропористость.

Горелые породы – естественно обожженные глинистые, песчано-глинистые и песчаные отложения, которые в процессе горения подземных пластов углей превратились в обожженный керамический черепок. Качество природных глиежей довольно разнообразно, хотя они значительно однороднее горелых пород террикоников. Их относят к скальным грунтам осадочного типа, вид - силикатные, подвид - аргиллиты, алевролиты и т.п.

В настоящее время в России слабо внедряются результаты научных разработок в части использования сопутствующих продуктов промышленности в производстве строительных материалов. Первые попытки систематизации исследований горелых пород были сделаны в работах Г.И. Книгиной [1]. В зарубежной научной литературе долгое время также уделялось недостаточно внимания изучению возможностей применения глиежа [2–4]. На сегодняшний день время исследованием возможностей применения горелых пород занимаются в ряде промышленных регионов России [5-11].

Несмотря на проведенные исследования, в настоящее время наиболее часто они используются при устройстве земляного полотна в местах добычи. Горелые породы находят применение в качестве добавки в цементы. Некоторые горелые породы имеют пониженную сред-– 564 – нюю плотность, что позволяет применять их в качестве заполнителей для легких растворов и бетонов. Однако развитая сеть микропор в глиежах и развитая поверхность зерен приводят к повышению водоцементного отношения, перерасходу цемента и, соответственно, к снижению физико-механических характеристик бетона, значительному его водопоглощению.

Цель исследования – получение на основе горелых пород эффективных безобжиговых стеновых строительных материалов методом прессования с высокой прочностью, пониженным водопоглощением, отвечающих нуждам современного строительства.

Материалы и методы

Возможность использования горелых пород для производства стеновых материалов выдвинула задачу изучения их свойств. Были проведены исследования горелых пород Уярского района, а также Бородинского угольного разреза Красноярского края. В качестве вяжущего использовался цемент М500 Д0 (производства ОАО «Холдинговая компания «Сибирский цемент» г. Красноярск).

Проведены следующие исследования: РФА и химический анализ (на рентгеновском дифрактометре Д8-ADVANCE (фирма Bruker) и рентгенофлуоресцентном спектрометре для анализа элементного состава ARL OPTIM,X, компания «ТермоТехно», Швейцария) различных участков глиежа для использования в производстве стеновых материалов. Определение физико-механических свойств глиежей проводилось по методикам ГОСТ на испытание щебней и песков из горных пород для строительных работ.

Результаты

Химический анализ горелых пород месторождений Красноярского края приведен в табл. 1.

Оценку прочности природных пористых крупных заполнителей предложено делить на четыре группы [12].

В первую входят методы испытания прочности породы в куске выпиленных из глиежа кубиков (табл. 2).

Этот метод позволяет получить показатели прочности отдельных образцов заполнителя. Однако передача усилий на испытуемый образец происходит в условиях одноосного напряженного состояния и не учитываются остальные свойства глиежа в композиции, которые су-

Таблица 1. Химический анализ горелых пород

Номер пп Наименование месторождения горелых пород Содержание оксидов, масс % SO3 Na2O K2O п.п.п. 1 Ирша-Бородинское месторождение 52,11-68,3 13,5-19,3 3,2-10,1 2,4-8,4 1,0-2,0 - - - 1,3-2,1 2 Уярское месторождение (Туляк-2) 63,95 19,71 8,0 2,61 1,58 0,05 0,30 2,81 1,02 щественно влияют на прочность изделий: это состояние поверхности заполнителя, сцепление с цементным раствором, самовакуумирование, физико-химическое взаимодействие с цементным камнем и др.

Вторая группа методов испытания включает сдавливание заполнителей в цилиндре, когда зерна глиежа находятся под воздействием сосредоточенных раскалывающих усилий, передаваемых смежным зернам в точках их контакта. Прочность глиежа находится в пределах 13,2 – 21,1 кгс/см2, что соответствует марке щебня по прочности от П 150 до П 250.

Мелкий заполнитель на основе горелой породы имеет насыпную плотность – 1050 кг/м3 при гранулометрическом составе, представленном в табл. 3.

Данный гранулометрический состав выбирали исходя из следующих соображений: мелкая фракция необходима для создания качественной поверхности изделия, средние фракции примерно в равных долях. Зерна крупной фракции (΄3 мм) взяли в увеличенном количестве, поскольку в процессе прессования они подвергаются частичному разрушению, большей частью поверхностного характера, происходит срезание шероховатостей, выступов. За счет этого увеличивается контактная поверхность между ними.

Кроме того, отрабатывали количество вяжущего в шихте, расход воды затворения и давление прессования в лабораторных условиях. Для этого из рабочих составов изготавливали образцы-цилиндры диаметром 50 и высотой 60 мм, часть которых испытывали после тепловлажностной обработки, а часть – в возрасте 28 суток. Затем изготавливали образцы по форме и размерам кирпича в производственных условиях по технологиям вибрационного и полусухого прессования.

Таблица 2. Определение средней плотности и прочности породы в куске

Размеры, см		Масса образцов, высушенных до постоянной массы, г	Средняя плотность ρ 0 , г/см3	Предел прочности при сжатии горной породы, кгс/см2/МПа
Диаметр	Высота
4,7	4,7	146	1,79	230,68/22,62
4,8	4,8	142	1,63	280,97/27,55
4,8	4,8	158	1,82	221,23/21,7
4,9	4,9	162	1,75	288,74/28,32
4,6	4,6	170	2,08	350,39/34,36

Таблица 3. Гранулометрический состав мелкого заполнителя

Номер сита	Частный остаток,		Полный остаток, %
	г	%
1,25	704	70,5	70,5
0,63	54	5,4	75,9
0,315	36	3,6	79,5
0,14	50	5,0	84,5
дно	156	15,6	100

Вследствие неравномерности обжига и неоднородности химического состава горелых пород показатели механической прочности отдельных их разновидностей могут быть разнообразны даже в пределах одного месторождения. Задача преодоления неоднородности в составе и строении глиежей была решена, с одной стороны, технологически – выбором способа формования стеновых изделий, с другой – модифицированием шихты.

В исследованиях рассматривались две технологии изготовления изделий на основе глиежа – вибропрессование и полусухое прессование. Изделия, полученные с использованием данных технологий, отличаются высокими эксплуатационными свойствами и физико-механическими характеристиками: прочностью, низким водопоглощением, морозоустойчивостью, точностью геометрических размеров, что позволяет изготавливать изделия с низким содержанием цемента. В заводских условиях изготавливали изделия в форме кирпича на вибропрессе производства Польши «Henkis» – НК-93 и прессе для полусухого формования А300-3 (рис. 1) с характеристиками: максимальное усилие прессования 300 т, количество кирпичей, производимых за одно прессование – 2 шт., длительность цикла прессования (номинальная) 12 с.

Значения физико-механических характеристик изделий на основе глиежа, изготовленных вибропрессованием и испытанных в возрасте 28 сут, приведены в табл. 4, где состав 1 – шихта, содержащая 9 % цемента, без добавок, состав 2 – то же, с модифицирующей добавкой для полусухого вибропрессования с гидрофобизирующим эффектом Murasan BWA 21, производства ООО «Эм-Си Баухеми».

Рис. 1. Выпуск безобжигового кирпича вибро- (а) и полусухим (б) прессованием

Таблица 4. Физико-механические характеристики образцов, изготовленных методом вибропрессования

Номер состава	Средняя плотность после пропаривания, кг/м3	Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3	R изг , МПа	R сж , МПа	Водопогло-щение, %	Морозостойкость, циклы
1	1690	1520	0,7	8,1	24	20
2	1650	1502	0,8	10,0	17	35

Примечание. Смесь уплотнялась методом вибропрессования с заданным давлением 25,0-27,0 МПа.

Таблица 5. Физико-механические свойства безобжигового кирпича на глиеже, изготовленного методом полусухого прессования

Номер пп	Маркировка	Плотность, кг/м3	R изг, МПа	R сж, МПа	Требования ГОСТ 530-2012 к пределу прочности керамического кирпича
					при сжатии, МПа	при изгибе, МПа	марка изделий
1	20Ц+БВА	1753	5,7	23,14	Средний 20,0 Наименьший 17,5	Средний ΄3,4 Наименьший 1,7	М200
						Средний ΄4,4 Наименьший 4,4	М400 и выше
2	9Ц+БВА	1630	2,93	13,62	Средний 12,5 Наименьший 10,0	Средний 2,5 Наименьший 1,2	М125
						Средний 2,8 Наименьший 1,4	М150

Примечание. 1-й состав – 20 % цемента по массе и 0,5 % добавки от массы цемента; 2-й состав – 9 % цемента по массе и 0,5 % добавки от массы цемента.

Физико-механические характеристики изделий, отформованных методом полусухого прессования, представлены в табл. 5. Подготовленная смесь уплотнялась с заданным давлением 28,0 МПа. Изготовленные образцы-кирпичи размерами 25,0х12,0х6,5 испытаны в возрасте 28 сут.

Обсуждение результатов

Наиболее эффективна из рассмотренных технологий изготовления изделий технология полусухого прессования, этому способствует низкая прочность горелых пород и их относительно высокая пористость, что приводит к получению безобжигового кирпича плотностью, соответствующей требованиям ГОСТ 530-2012. Изделия из более плотных пород по этой технологии получаются слишком тяжелые, соответственно, с высокой теплопроводностью. Поэтому технология полусухого прессования была принята в качестве основной.

В процессе прессования происходит также удаление газовоздушной фазы и максимальное сближение частиц цемента и глиежа, обнажаются их активные центры. Поэтому интенсифицируются процессы гидратации цемента, уплотняется макро- и микроструктура цементного камня, упрочняется контакт цементного камня с глиежом, препятствующий сдвиговым напряжениям, что определяет эксплуатационные свойства изделий. Это позволяет минимизировать – 568 – расход вяжущего до 9-10 % и частично преодолеть неоднородность в составе и строении глие-жей.

Однако автоматизация процессов, свойственная технологиям жестких бетонных смесей, предъявляет такое требование, как постоянство характеристик шихты независимо от меняющегося содержания воды, а также от гранулометрического состава используемых сырьевых материалов. Показатели прочности бетона-сырца и ранней прочности бетона являются критически важными параметрами процесса производства. Для оптимизации шихты в состав вводили модифицирующую добавку для полусухого прессования MurasanBWA 19 и с гидрофобизирующим эффектом Murasan BWA 21 производства ООО «Эм-Си Баухе-ми».

Для смесей бездобавочных и с добавкой отмечено следующее: увеличивается диапазон варьирования расхода воды, улучшается внешний вид и качество поверхности изделий, повышается морозостойкость изделий. Морозостойкость изделий, изготовленных методом полусухого прессования, при расходе цемента 12 % составила 75 циклов (с добавкой Murasan BWA 21) и 50 циклов (без добавки).

При полусухом прессовании изделий вместе с водой в поры и капилляры заполнителя вносится цемент, из которого затем возникают кристаллические новообразования, связывающие зерна глиежа через тончайшие прослойки цементного камня, т.е. происходит «врастание» кристаллического сростка цементного камня в тело заполнителя. Это приводит к увеличению прочности как самого заполнителя, так и контакта с цементным камнем.

Минеральный состав горелых пород Бородинского месторождения исследовался методом РФА (рис. 2), идентификация минералов проводилась согласно американской картотеке ICDD-PDF-2 Release 2008. Дифракционные максимумы соответствуют в основном кальциту (d=0,303; 0,249; 0,228; 0,210 нм и др.), а также алюмосиликатам группы полевых шпатов.

2-Theta - Scale иFile: WNG Fiol poroda.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 8.000 ° - End: 68.004 ° - Step: 0.008 ° - Step time: 15.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 8 s - 2-Theta: 8.000 ° - Theta: 4.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° Operations: Y Scale Mul 1.500 | Smooth 0.103 | Strip kAlpha2 0.500 | Import

Рис. 2. Рентгенограмма усредненной горелой породы

Кальцит, присутствующий в глиежах, способен влиять на гидратацию C3A и C4AF. В результате взаимодействия с углекислыми слоями кальция цементной системы помимо кубического алюмината кальция (3СаО•Al2O3•6H2O) образуется новое соединение - гидрокарбоалюминат кальция и/или магния. Количество гидроалюмината уменьшается, а гидрокарбоалюминаты срастаются между собой и с поверхностью карбонатных частиц зерен глиежа в плотный кристаллический конгломерат, что дополнительно стимулируется физическими процессами. Эти же процессы могут протекать в порах и в капиллярах частиц глиежа, куда всасывается вода, насыщенная продуктами гидролиза клинкерных минералов. Таким образом, сцепление с кальцитом осуществляется в результате взаимного структурного прорастания цементного камня и глиежа.

При технологии прессования большое значение приобретает механическая адгезия. Продукты гидролиза, проникая в поры, увеличивают в дальнейшем защемление, а молекулы адсорбируемого клеящего вещества (вяжущего) вступают в максимальное число контактов с молекулами поверхностей склеиваемых частиц, сокращая границу цементный камень – глиеж.

Изделия на основе горелых пород с прочностью при сжатии, соответствующей определенной марке по прочности керамического кирпича (ГОСТ 530-2012), имеют значительно более высокую прочность при изгибе, чем у керамического кирпича данной марки (табл. 5). Очевидно, усиленный контакт частиц глиежа с цементным камнем значительно улучшает сопротивление изгибающим усилиям так как отсутствие в прессованной композиции резко выраженной границы цементный камень – глиеж приводит к уменьшению неравномерности распределения деформаций между ними. Напряжения от внешних нагрузок накладываются на ультрамикро-структурные и микроструктурные неориентированные напряжения, всегда имеющиеся в бетонах, особенно тяжелых. В изделиях же на основе глиежа значения влажностных деформаций в заполнителе, разделенном тончайшими прослойками цементного камня, весьма уравновешены, поэтому микроструктурные напряжения в таких композициях невелики.

Заключение

Метод полусухого прессования дает возможность получить кирпич идеальной формы с минимальными отклонениями геометрических размеров, глянцевой поверхностью всех плоскостей, высокой прочности, с небольшим водопоглощением при пониженном расходе цемента. Кроме того, яркая, красивая окраска горелых пород дает возможность изготавливать из них лицевые стеновые изделия светло-розовых, желтых, бурых и красных тонов без введения красящих пигментов с обеспеченной морозостойкостью (ГОСТ 530-2012).

Таким образом, разработанные составы и технология могут быть рекомендованы для производства эффективных безобжиговых стеновых строительных материалов, отвечающих нуждам современного строительства.