Содержание к диссертации
Введение
Содержание вопроса 12
1.1 Краткая история развития производства ячеистых бетонов и внедрения их в практику строительства 12
1.1.1 Зарубежный опыт 12
1.1.2 Развитие промышленности ячеистых автоклавных бетонов в России 15
1.1.3 Развитие производства газосиликатных изделий в
г. Воронеже и их применение в строительстве 19
1.2 Общее состояние вопроса. Постановка цели и задачи ис следования 26
Методика проведения исследований 36
2.1 Выбор объектов исследования для изучения изменения состава, структуры и свойств газосиликата в условиях «открытой» системы (после длительной эксплуатации) 36
2.2 Условия отбора проб 38
2.3 Характеристика образцов силикатного бетона для исследований изменений состава, структуры и свойств в условиях «закрытой» системы 39
2.4 Методика оценки физико-механических свойств 41
2.4.1 Методика оценки физико-механических свойств газосиликата в ограждающих стеновых конструкциях 41
2.4.2 Методика оценки физико-механических свойств силикатного бетона в образцах, хранившихся в условиях «закрытой» системы 45
2.4 Методика оценки состояния структуры цементирующих веществ газосиликата 45
Теоретические аспекты структурных изменений и обеспечения стабильности свойств ячеистого силикатного бетона при длительной эксплуатации 49
3.1 Изменения состава, структуры и свойств во времени в ячеистом силикатном бетоне в условиях «закрытой» системы 53
3.2 Изменения состава, структуры и свойств во времени в ячеистом силикатном бетоне в условиях длительной эксплуатации 57
3.2.1 Стойкость ячеистого силикатного бетона к механическим воздействиям, попеременному увлажнению-высушиванию, замораживанию-оттаиванию 59
3.2.2 Карбонизационная стойкость ячеистых силикатных бетонов 63
3.2.3 Предпосылки получения ячеистых силикатных бетонов, стойких к воздействию эксплуатационных факторов в зависимости от исходного состояния структуры цементирующих веществ 71
3.3 Обобщение и основные выводы 75
4 Исследование изменений состава, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона в условиях длительной эксплуатации 80
4.1 Изучение изменения состава, структуры и свойств силикатного бетона в условиях изолированной «закрытой» системы 80
4.2 Изучение изменения состава, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона в условиях длительной эксплуатации в ограждающих конструкциях 94
4.2.1 Изучение изменения состава, структуры и свойств газосиликата с различным исходным состоянием структуры в процессе длительной эксплуатации 94
4.2.2 Изучение изменения состава, структуры и свойств газосиликата в зависимости от влажностных условий эксплуатации 119
4.2.3 Изучение изменения состава, структуры и свойств газосиликата в процессе эксплуатации в зависимости от степени защищенности наружной поверхности (вида отделки) ограждающих конструкций 126
4.2.4 Изучение изменения состава, структуры и свойств газосиликата после длительной эксплуатации в зависимости от его начальной плотности и толщины ограждающих конструкций 133
4.3 Обобщение и основные выводы 141
5 Обощение и систематизация причин появления повреждений в конструкциях из ячеистого силикатного бетона. определение критериев и разработка методики прогнозирования их эксплуатационного ресурса 143
5.1 Изучение общего состояния газосиликата в ограждающих конструкциях и оценка их трещиностойкости после длительной эксплуатации 143
5.2 Обобщение и систематизация причин появления повреждений в газосиликате на всех циклах (с момента изготовления и до отказа конструкции), разработка рекомендаций по предотвращению их появления 155
5.3 Разработка критериев и методики оценки эксплуатационного (остаточного) ресурса конструкций из ячеистого силикатного бетона в ограждающих конструкциях 164
5.4 Обобщение и основные выводы 174
Общие выводы 177
Список использованных источников
- Краткая история развития производства ячеистых бетонов и внедрения их в практику строительства
- Выбор объектов исследования для изучения изменения состава, структуры и свойств газосиликата в условиях «открытой» системы (после длительной эксплуатации)
- Изменения состава, структуры и свойств во времени в ячеистом силикатном бетоне в условиях «закрытой» системы
- Изучение изменения состава, структуры и свойств силикатного бетона в условиях изолированной «закрытой» системы
Введение к работе
Актуальность работы. Введение в действие новых требований по теплозащите ограждающих конструкций зданий [1] создало принципиально новую ситуацию в сфере производства и применения строительных материалов. Для обеспечения требуемого теплосопротивления ограждений необходимо либо увеличивать толщину стены из традиционных материалов (керамический и силикатный кирпич), либо применять более эффективные материалы, которые при относительно небольшой толщине смогут отвечать современным требованиям по теплозащите (ячеистые бетоны пониженной плотности, многослойные конструкции с эффективным утеплителем). Так, например, в соответствии с современными требованиями [1] расчетная толщина стены из кирпича должна быть не менее 195 см, из керамзитобетона - 150 см, из ячеистого бетона плот-ностью 700 кг/м - 50 см. В связи с этим применение ряда материалов (керамзитобетон, кирпич, мелкозернистый бетон) в качестве однослойных стеновых конструкций технологически и экономически не всегда выгодно. Поэтому все большее внимание привлекают многослойные конструкции с эффективным утеплителем и особенно однослойные стеновые конструкции из поризованных и ячеистых бетонов.
Для каждого конкретного региона выбор теплоэффективных строительных материалов определяется, прежде всего, природно-географическими условиями, потенциалом сформированной на его территории базы стройиндустрии, типом возможных конструктивных систем жилых зданий [2]. В связи с этим большое количество предприятий переориентировалось на производство ячеи-стобетонных изделий, в частности изделий из силикатного ячеистого бетона.
Наиболее широкое применение ячеистый силикатный бетон (газосиликат) нашел в регионах, богатых основными сырьевыми материалами - карбонатными породами и кварцевым песком, одним из которых является Центрально-Черноземный район, на территории которого находятся крупнейшие месторождения мела (Копанищенское, Нижнекисляйское, Ольховатское, Ендовищенское и др.), известняка (Кривоборье, Грязинское, Елецкое, Паженьское и др.) и кварцевого песка (Малышевское, Подгоренское, Новолискинское, Щебекинское и др.) и источники промышленных отходов, таких как шлаки (Липецкий металлургический завод), тонкомолотые отходы (хвосты) обогащения железных руд Курской магнитной аномалии [3].
Газосиликат отвечает всем основным современным требованиям: он экологически чист, пожаробезопасен, производится из доступных местных сырьевых материалов (карбонатных пород и песка), по энергоемкости изготов-ления (в пересчете на 1 м стены) в 1,5...2 раза экономичнее цементных взаимозаменяемых материалов [2]. Технология ячеистого бетона отличается предельной гибкостью и универсальностью - из одних и тех же сырьевых материалов, на одном и том же оборудовании, по сходным параметрам и режимам можно производить разнообразные (по плотности, прочности, теплопроводности) изделия: мелкие и крупные неармированные стеновые блоки, крупноразмерные стеновые панели, плиты покрытий и перекрытий, плиты для наружной отделки и утепления фасадов зданий. На территории Воронежской области изделия из газосиликата выпускают Воронежский ДСК, Россошанское предприятие ЗАО «Коттедж-индустрия», Лискинский комбинат «Стройдеталь» [2].
Ячеистый силикатный бетон (газосиликат) утвердился в качестве материала для ограждающих конструкций в конце 50-х - начале 60-х годов прошлого века. Первый отечественный опыт освоения производства и применения газосиликата проходил в г. Воронеже, где этот материал получил жизнь и утвердился в строительной практике, доказав свою высокую технико-экономическую эффективность. Воронеж стал своего рода первым отечественным полигоном для комплексного изучения этого сегодня широко востребованного материала. В результате были обеспечены научно-обоснованные рецептурно-технологические параметры производства газосиликата с требуемыми эксплуатационными свойствами.
Сегодня можно говорить о более чем 40-летней практике эксплуатации жилого фонда общей площадью более 6 млн. м2, построенного с применением газосиликата (таблица 1). Этот фонд может быть дифференцирован по архитектурно-строительным системам зданий, по срокам эксплуатации, качественным показателям примененного газосиликата, по видам поверхностной отделки и т.д.
За последние годы объемы производства силикатных ячеистых бетонов в нашей стране и за рубежом неуклонно возрастает. Годовой объем мирового производства ячеистого бетона составляет примерно 45 млн. м [4]. При этом существующий и строящийся жилой и производственный фонд требует решения задачи по его сохранности и содержанию в состоянии, пригодном для длительной эксплуатации по назначению в течение установленного срока службы с наименьшими экономическими затратами на обслуживание и ремонт.
Изучение изменений состава, структуры и свойств газосиликата в ограждающих конструкциях, произошедших после длительной эксплуатации, позволит подтвердить, расширить и уточнить обоснованность принятых технологи ческих и технических решений, и, что наиболее важно, оценить полный и остаточный ресурс ограждающих конструкций из ячеистого силикатного бетона для определения возможности дальнейшей эксплуатации жилых зданий.
Решение поставленной задачи можно осуществить на основе комплексной оценки параметров состояния, структуры и свойств газосиликата ограждающих конструкций с использованием традиционных и современных методов исследования. При этом исходным положением для решения данной задачи являлось то, что в процессе эксплуатации материал находится под действием внутренних «самопроизвольных» процессов и внешних механических, физико-климатических и химических воздействий эксплуатационной среды. В результате в материале во времени происходят процессы необратимых структурных превращений цементирующих веществ и изменения эксплуатационных свойств [5...7]. При этом происходящие изменения носят как конструктивный, так и деструктивный характер. И от того, какой процесс будет определяющим в той или иной период работы материала, зависит длительность его эксплуатационной «жизни» и конструкции в целом.
Поэтому раскрытие закономерностей изменения состава, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона во времени, а также оценка степени влияния различных факторов на эти изменения имеет важное научное и прак тическое значение для определения полного ресурса и прогнозирования остаточного ресурса ячеистобетонных ограждающих конструкций и разработки научно-практических рекомендаций по технологии производства конструкций из газосиликата с требуемым сроком безотказной работы.
Задача оценки и прогнозирования эксплуатационного ресурса ячеистобетонных ограждающих конструкций зданий является актуальной, так как ее решение направлено на снижение затрат материальных ресурсов и капитальных вложений на производство, содержание и ремонт.
Целью диссертационной работы является расширение теоретических представлений о закономерностях структурных изменений и разработка методики прогнозирования полного и остаточного ресурса стеновых конструкций из газосиликата с длительным сроком эксплуатации и практических рекомендаций по производству и эксплуатации конструкций из ячеистого силикатного бетона с требуемым сроком безотказной работы.
В задачи исследований, обеспечивающие достижение данной цели, входят: выполнение анализа и обобщение теоретических представлений о структурных превращениях в ячеистом силикатном бетоне при различных условиях эксплуатации; разработка методики определения основных физико-механических свойств и структуры газосиликата по толщине ограждающих конструкций; оценка общего состояния ограждающих конструкций домов из газосиликата с длительным сроком эксплуатации и выявление основных видов повреждений; обобщение и систематизация причин образования повреждений в конструкциях из ячеистого силикатного бетона на всех стадиях технологического, предэксплуатационного и эксплуатационного циклов; изучение изменений состава, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона с различным коэффициентом завершенности структурообразования в условиях длительной эксплуатации; установление взаимосвязи характера изменения состава, структуры и свойств газосиликата во времени с исходным состоянием цементирующих веществ, видом декоративно-защитного покрытия, начальной плотностью, толщиной конструкции и условиями эксплуатации и получение математических зависимостей оценки полного эксплуатационного ресурса ограждающих конструкций из ячеистого силикатного бетона; разработка методики комплексной оценки состояния газосиликата и прогнозирования его остаточного ресурса и обоснование рекомендаций по технологии газосиликата с учетом обеспечения длительных характеристик в ограждающих конструкциях.
Работа выполнялась в рамках научно-технических программ, утвержденных Минобразованием РФ: программа «Развитие научного потенциала высшей школы», проект № 75375: «Эксплуатационная стабильность силикатных систем твердения и оценка состояния ограждающих конструкций из силикатного ячеистого бетона с длительным сроком эксплуатации» (2004.. .2005 гг.). Научная новизна:
- систематизированы и развиты представления о структурных изменениях силикатного автоклавного ячеистого бетона во времени в условиях длительной эксплуатации;
- получены количественные зависимости изменения во времени структурных характеристик и свойств газосиликата в зависимости от исходного состояния его цементирующих веществ и условий эксплуатации;
- установлены условия обеспечения устойчивости структуры и стабильности свойств ячеистого силикатного бетона, обеспечивающих необходимую трещиностойкость и долговечность конструкций из него;
- обобщены и систематизированы данные о появлении, проявлении и развитии повреждений в ограждающих конструкциях из газосиликата и предложены условия, технологические приемы и способы их предотвращения, торможения и устранения;
- предложена методика прогнозирования остаточного ресурса газосиликата в ограждающих конструкциях.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивалась: проведением экспериментов с достаточной воспроизводимостью и применением научно-обоснованных методик комплексных оценок состава, структуры и свойств материалов и современного метрологически поверенного контрольно-измерительного оборудования; статистической обработкой с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также сравнением их с аналогичными результатами, полученными другими авторами. Достоверность теоретических решений проверялась сравнением их с экспериментальными результатами.
Практическая значимость:
- разработана методика отбора проб и оценки прочности при сжатии и средней плотности газосиликата в ограждающих конструкциях;
- предложена методика оценки полного и прогнозирования остаточного ресурса ограждающих конструкций из газосиликата с различным исходным состоянием структуры его цементирующих веществ;
- установлены параметры и условия обеспечения стабильности структуры и свойств газосиликата в ограждающих конструкциях, которые могут быть вне дрены при запуске новых технологических линий или производств как в рамках существующих, так и для вновь создаваемых предприятий. Реализация результатов:
- разработанные «Методика определения физико-механических свойств ячеистого бетона в эксплуатируемьж стеновьж конструкциях зданий» и «Методика прогнозирования полного и остаточного ресурса силикатного ячеистого бетона в ограждающих конструкциях зданий в зависимости от исходного состояния структуры материала и влажностньж условий эксплуатации» приняты к внедрению на ОАО «Коттедж-индустрия» г. Россошь;
- результаты диссертационной работы используются в курсах лекций и лабораторных работах по дисциплинам «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», «Надежность и долговечность», а также в курсовом и дипломном проектировании по специальности 270106 «Производство строительных изделий и конструкций» в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.
На защиту выносятся:
- теоретические представления о закономерностях и механизме структурных изменений силикатного автоклавного ячеистого бетона в условиях длительной эксплуатации;
- данные экспериментальных исследований изменения во времени состава, структуры и свойств ячеистого силикатного бетона после длительной эксплуатации в зависимости от коэффициента завершенности процесса структуро-образования, степени защиты наружной поверхности (вида отделки) и условий эксплуатации;
- результаты систематизации появления, проявления и развития дефектов и условий, технологических приемов и способов их устранения;
- методика оценки остаточного ресурса газосиликата в ограждающих конструкциях.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2001 г.), на Восьмых Академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004 г.), на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005 г.), на Международных академических чтениях 16-19 сентября 2006 «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, 2006 г.), на научно технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (Воронеж, 2000...2006 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них одна опубликована в рецензируемом научном издании, входящем в перечень изданий, определенных ВАК. Кроме того, одна работа находится в печати в рецензируемом научном издании, входящем в перечень изданий, определенных ВАК.
Краткая история развития производства ячеистых бетонов и внедрения их в практику строительства
Технология автоклавных материалов как новая отрасль силикатной промышленности зародилась в XIX в.
В середине XIX в. А. Добре и Г. де Сенармон во Франции, Щ. Рауленд в США и В. Михаэлис в Германии работали над получением искусственных камней в автоклавах.
Эти исследования определили возможность получения прочного искусственного камня не обжигом при высоких температурах, как это имеет место в керамической промышленности, но и при сравнительно низких температурах в присутствии воды или водяного пара. Эффективность такой технологии была замечена, и в разных странах в конце XIX в. появилось большое число публикаций и изобретений.
Во Франции П. Лебрен получил в 1854 г. патент на изготовление искусственного камня из известково-песчаной смеси действием нагретой воды. Однако из-за отсутствия промышленного оборудования этот патент не нашел практического применения [8].
Предложение использовать пар под давлением для получения строительных материалов в США связано с именем Ш. Рауленда, которому был выдан патент на изготовление искусственных камней из тонкомолотого песка (или др. материалов), цемента, воды с последующей обработкой в автоклавах под давлением. В 1880 г. патент на «способ изготовления искусственных из-вестково-песчаных камней из массы, содержащей гидрат кальция, бария или стронция, и песка или кремнесодержащих материалов посредством воздействия пара высокого давления при 130-300 С в подходящих для этого аппаратах» получил В. Михаэлис. Эта работа носила теоретический характер и нашла практическое применение лишь через 17 лет, когда было создано необходимое оборудование для этого способа производства [8].
Идея получения ячеистых бетонов принадлежит пражскому инженеру Гофману, получившему патент в 1889 г. на изготовление бетонов, ячеистая структура которых образовывалась за счет выделения углекислого газа при реакции соляной кислоты и гидрокарбоната натрия (NaHCOs) [4].
За рубежом ячеистые бетоны нашли широкое применение в Швеции, Западной Германии, Англии, Франции, Польше, Чехословакии и других странах.
Особенно широкое распространение ячеистые бетоны получили в Швеции, где из этого материала строится очень большое количество жилых зданий.
Первый патент на получение газобетона был выдан в Швеции в 1923 г. инженеру Йохсену Акселю Эриксону. В 1929 г. в Швеции началось промышленное производство ячеистого бетона. Там же в 1930 г. проведены широкие лабораторные и промышленные опыты по изготовлению и применению газобетона «Сипорекс» (Siporex), на основании которых в 1934 г. пущен первый завод сипорексных изделий [9]. Технологию ячеистого бетона "Сипорекс" разработали инженеры Ивар Эклунд и профессор Ленкарт Форсен. Полученный ими материал обладал хорошими свойствами и высокими технико-экономическими показателями [10]. Заводы «Сипорекс» производили газобетонные изделия плотностью до 500 кг/м3 с применением портландцемента, тонкодисперсного кремнеземистого заполнителя в виде молотого кварцевого песка и алюминиевой пудры в качестве газообразователя. Для интенсификации вспучивания газобетонных смесей и придания изделиям белого цвета в смесь добавлялось небольшое количество извести.
Помимо фирмы «Сипорекс» большой вклад в развитие заводского производства изделий из газобетона и газосиликата за рубежом внесли и другие шведские фирмы: «Итонг» (Itong) и «Дюрокс» (Durox).
На заводах «Итонг» выпускали газосиликатные изделия плотностью 500...600 кг/м (для получения газосиликата применяли вяжущее в виде молотой извести-кипелки. Кремнеземистой добавкой служили золы, получаемые от сжигания сланцев, а газообразователем - алюминиевая пудра). Выпускались два вида продукции: газосиликат на основе известково-песчаного вяжущего из слабогидравлической извести - «Итонг белый» и газосиликат на основе слан-цезольного вяжущего - «Итонг голубой», когда вяжущее приготавливалось путем совместного обжига известняка и горючих сланцев. Для улучшения строительных свойств и повышения стойкости ячеистого бетона на предприятиях фирмы «Итонг» в газосиликатные смеси добавлялся портландцемент. Заводы фирмы «Дюрокс» изготавливали тяжелый газосиликат плотностью 800 кг/м3 [11, 12].
Шведскими предприятиями выпускалась широкая номенклатура ячеи-стобетонных изделий и конструкций для жилищного, промышленного и других видов строительства: теплоизоляционные плиты, стеновые камни и блоки
разных размеров, перегородочные плиты, перемычки, плиты перекрытий и покрытий, стеновые крупноразмерные панели. Наибольшее распространение по-лучили изделия плотностью до 500 кг/м [11, 12]. Кроме того, в Швеции ячеистый бетон нашел применение в виде плит покрытий и стеновых элементов при сооружении международного аэропорта в Арленде, при строительстве высотных и жилых зданий в Стокгольме, где применялись трехслойные ячеисто-бетонные панели с утеплителем из «стиропора», при возведении промышленных корпусов в Гётеборге и Мальме, в виде мелких камней и блоков при строительстве жилых зданий в Кумле, Эребру и других городах [10,11,12,13].
В 60-е годы в Швеции из ячеистых бетонов выполнялось 60 % наружных стен многоэтажных зданий и 70 % кровель. Заводы «Итонг» изготавливали преимущественно мелкие блоки для наружных стен и плиты для внутренних стен и перегородок. «Сипорекс» выпускала, главным образом, стеновые панели и плиты покрытий промышленных зданий.
В эти же годы в других западных странах также широкое распространение получила тенденция к максимальному использованию в зданиях ячеистого бетона, который использовался во всех основных конструкциях. Кроме элементов стен (в основном мелкоблочных), перегородок и покрытий на Западе широкое применение нашли газобетонные перекрытия плотностью 500...700 кг/м3 и даже 400 кг/м3 под нагрузки 300,..400 кгс/м2, а также газобетонные перемычки и балки пролетом до 10 м, которые в условиях единого технологического процесса оказались более выгодными, чем железобетонные [14].
Ячеистый бетон нашел применение в зданиях самого различного назначения. Так, вблизи Парижа был построен поселок Баньоле из 5-этажных домов с газобетонными стенами и перекрытиями. Снижение массы здания позволило осуществить строительство на слабых грунтах без особых затрат на фундаменты [15, 16]. Применение газобетона в 12-этажном здании на свайном основании в Мексике облегчило его массу на 55 %. В Западной Германии были ассигнованы крупные суммы на строительство газобетонных заводов. В Питсбурге (США) в 1952 г. Была построена группа 20-этажных зданий с перекрытиями из газобетонных плит «гриткрит» [16]. В Англии из газобетона были построены церковь в Эдинбурге, фабрика в Кумбернольде, многоэтажные дома в Глазго, здания университета в Ноттингеме и технологического колледжа в Пэйсли и Данди [15,16].
Большой практический интерес представляли работы зарубежных фирм по отделке наружной поверхности ячеистобетонных изделий. На строительных площадках первоначально на стены наносилась штукатурка слоем
1,2...1,5 см. Однако в эксплуатации эта отделка не везде себя оправдала. Наиболее эффективным, с точки зрения внешнего оформления зданий и повышения их долговечности, оказался способ облицовки наружной поверхности стен из ячеистого бетона асбестоцементными листами плоского или волнистого профиля или кладкой в полкирпича. В производственных условиях поверхности панелей и плит покрывались гидрофобными составами в 2...3 слоя и не требовали дополнительной защиты при эксплуатации. Для отделки применялись два основных состава: на жидком стекле и на смолах - «Преобас», состоящим из бесцветного чистого акрилпластика с введением цветных минеральных зерен размером 1...1,5 мм. Зерна окрашивались любым из прочных минеральных пигментов, и, таким образом, простыми и дешевыми средствами достигалась неограниченная гамма цветов и оттенков [11,12].
В настоящее время годовой объем производства ячеистого бетона составляет примерно 45 млн м3, выпускаемых на более чем двухстах заводах в 50 странах, работающим по технологиям таких фирм, как германская «Хебель» (31 завод), шведско-финские «Сипорекс» (33 завода), «Итонг» (46 заводов), нидерландская «Калсилокс» (15 заводов) и другие [4]. Наиболее распространенная производительность этих предприятий находится в диапазоне 160.. .200 тыс. м в год. Самый крупный ячеистобетонный завод производительностью 560 тыс. м в год построен в 1987 г. в Венгрии по лицензии фирмы «Хебель» [4].
Выбор объектов исследования для изучения изменения состава, структуры и свойств газосиликата в условиях «открытой» системы (после длительной эксплуатации)
Выбор объектов для проведения исследований основывался на следующих положениях:
- исследоваться должны все серии домов с ограждающими конструкциями из газосиликата (1 - 464, 1 - 467 и 1 - 467д), построенных в Воронеже в течение 45 лет, газосиликат которых характеризовался различным исходным состоянием структуры цементирующих веществ (различным коэффициентом завершенности процесса структурообразования Кзх.);
- объекты исследования должны характеризоваться различными видами отделки, плотностью и толщиной конструкций, исходным составом сырьевой смеси и режимами гидротермальной обработки (оказавших влияние на получение газосиликата с различным исходным состоянием структуры цементирующих веществ), влажностными условиями и сроками эксплуатации.
Исходя из этого, для исследования были выбраны объекты, общая характеристика которых представлена в таблице 4, а более полное их описание расположено ниже.
1. Ограждающие конструкции 5-этажных жилых домов серии 1 - 467 (индексы I, IV) выполнены из панелей ленточной разрезки с окраской наруж ной поверхности цементными красочными составами в заводских условиях. В состав сырьевой смеси входили следующие компоненты: ИПВ с соотношени ем ,об1 = 0,3-..0,46, портландцемент или шлакопортландцемент (до 7,5 % по массе), гипсовое вяжущее (1...3 % по массе). Параметры автоклавной обработки: давление пара - 0,8 МПа, температура - 174,5 С. Эти технологические параметры позволили получить газосиликат с К3.с, = 0,76 [5]. Панели выпускались со следующими свойствами: средняя плотность 700...800 кг/м3, предел прочности при сжатии 4,5.. .5 МПа.
2. Ограждающие конструкции 5-этажных жилых домов серии 1 - 467 (индексы II, VI) выполнены из панелей ленточной разрезки с окраской наруж ной поверхности красочными составами в процессе эксплуатации. В состав сырьевой смеси входили следующие компоненты: ИПВ с соотношением общ = 0,5...0,65), гипсовое вяжущее (2...5 % по массе). Состав сырьевой смеси обеспечил получение газосиликата с коэффициентом завершенности процесса структурообразования Кзх. = 0,6 [5]. Параметры автоклавной обработки: давление пара - 0,8 МПа, температура - 174,5 С. Панели выпускались со следующими свойствами: средняя плотность 700...900 кг/м , предел прочности при сжатии 4,5...5 МПа.
3. Ограждающие конструкции 5-этажных жилых домов («критических») серии 1 - 467 (индекс III) выполнены из панелей ленточной разрезки с окра ской наружной поверхности цементными красочными составами в процессе эксплуатации. Дома находятся в эксплуатации с 1964 года. В этот период на заводе изменялся состав сырьевой смеси (в смесь стали добавлять портланд цемент, шлакопортландцемент, изменяли содержание гипсового вяжущего), применялся укороченный режим тепловой обработки. Параметры автоклавной обработки: давление пара - 0,7 МПа, температура - 168 С, сокращенная про должительность цикла. Состав сырьевой смеси: ИПВ с соотношением ——— = 0,78...0,83, портландцемент или шлакопортландцемент (до 7,5 %), гипсовое вяжущее (до 5 %). Такие технологические параметры изготовления привели к получению газосиликата с пониженным коэффициентом завершенности структурообразования (К3.с. = 0,3...0,4 [5]). Поэтому дома с панелями этого периода отнесены к «критическим». Свойства панелей в начальный период экс плуатации были следующими: средняя плотность 700...800 кг/м , предел прочности при сжатии 3... 5 МПа.
4. Ограждающие конструкции 9-этажных жилых домов серии 1 - 467д (индекс V) выполнены из панелей ленточной разрезки с отделкой наружной поверхности гранитным щебнем фракции 20...40 мм в заводских условиях. В состав сырьевой смеси входили ИПВ (с соотношением ——— = 0,3...0,4), портландцемент или шлакопортландцемент ( 7,5 % по массе), гипсовое вяжущее (2,5 % по массе). Параметры автоклавной обработки: давление пара - 0,8 МПа, температура - 174,5 С. Эти технологические параметры позволили получить газосиликат с К3.с. = 0,76 [5]. Панели выпускались со следующими свойствами: средняя плотность 600...750 кг/м , предел прочности при сжатии 5 МПа.
5. Ограждающие конструкции жилых домов серии 1 - 464 (индекс VII) выполнены из крупноразмерных блоков, наружная поверхность которых ок рашивалась известковыми красочными составами в процессе эксплуатации. В состав сырьевой смеси при изготовлении блоков входили известково-песчаное вяжущее (ИПВ с соотношением ——— = 0,3...0,4) с добавкой гипсового вя жущего (до 2,5 %). Такой состав сырьевой смеси обеспечил получение газосиликата с коэффициентом завершенности процесса структурообразования К3.с. = 0,6 [5]. Параметры автоклавной обработки: давление пара- 0,8 МПа, температура - 174,5 С. Блоки выпускались со следующими свойствами: средняя плотность 800.. .1000 кг/м , предел прочности при сжатии 4,5.. .5 МПа.
Пробы для исследований отбирались в панелях между первым и вторым этажами со стороны лестничной клетки по всей толщине конструкции. Перед началом отбора проб с участка панели счищался отделочный слой, пружинным молотком снимались показатели для определения прочности, а затем производился отбор проб. Пробы отбирались шлямбуром из внутреннего, центрального и наружного слоев (рисунок 7). Такой подход к выбору места отбора проб обоснован тем, что панели нижних этажей находятся в наиболее неблагоприятном в процессе эксплуатации состоянии [50, 51].
Изменения состава, структуры и свойств во времени в ячеистом силикатном бетоне в условиях «закрытой» системы
В «закрытой» системе, когда искусственным приемом исключается мас-сообмен с окружающей средой, изменение состава, структуры и свойств мате риала протекает безградиентно и связано с влиянием внутренних факторов старения - энергетическим состоянием твердой фазы.
Формирующаяся в процессе гидротермального синтеза структура цементирующего вещества силикатного ячеистого бетона представляет собой систему, обладающую развитой удельной поверхностью и, следовательно, избыточной свободной поверхностной энергией. Поэтому все процессы изменения во времени цементирующих веществ должны сводиться к уменьшению их суммарной поверхности и снижению дефектности кристаллических образований, т.е. идти в направлении уменьшения запаса свободной энергии.
Исследованиями Е.М. Чернышева [7] и Л.Н. Адоньевой [5] установлено, что изменения в условиях «закрытой» системы связаны преимущественно с дальнейшим синтезом цементирующих веществ под влиянием энергетического импульса, полученного в процессе автоклавной обработки, а также явлениями рекристаллизации, выражающимися в изменении во времени морфологии и дисперсности новообразований, и по мере накопления цементирующего вещества роль процесса рекристаллизации все более возрастает. Со временем кристаллизация практически заканчивается, и происходит только «старение» образовавшихся структур твердения.
При этом на механизм и кинетику происходящих изменений в условиях «закрытой» системы определяющее влияние оказывает исходное состояние структуры материала, зависящее от степени завершенности структурообразования при получении силикатного ячеистого бетона, которое может быть оценено по коэффициенту завершенности процесса структурообразования К3.с. [5, 7]. Получение материала с различным исходным состоянием структуры цементирующего вещества возможно путем изменения рецептурно-технологических факторов: состава сырьевой смеси, удельной поверхности кремнеземистого компонента, режима тепловлажностной обработки и т.д.
Исследования изменений во времени состава и структуры цементирующих веществ и свойств силикатного автоклавного материала с различной степенью завершенности процесса структурообразования [5, 7] показали, что в материале с низким коэффициентом завершенности процесса структурообразования (Кзх. = 0,1...0,2) структурные изменения связаны преимущественно с дальнейшим развитием процессов синтеза новообразований и собирательной рекристаллизации. Для материалов же, в которых синтез новообразований прошел наиболее глубоко в процессе автоклавной обработки (Кзх. = 0,8...1,0), характерными являются процессы собирательной рекристаллизации. При этом произошедшие изменения носили в основном конструктивный характер, выражавшийся в повышении прочностных показателей. Однако для материалов с К3.с. = 0,8 и 1,0, исходное состояние структуры которых было представлено низкоосновными гидросиликатами кальция, явление рекристаллизации сопровождалось повышением хрупкости.
Таким образом, доказано, что цементирующие вещества гидросиликатного типа характеризуются определенной неустойчивостью во времени, мера которой связана с его исходным состоянием и определяет ход процессов изменения структуры и свойств силикатных автоклавных материалов в условиях «закрытой» системы. Но полученные результаты дают только общие представления о структурных изменениях в силикатном ячеистом бетоне в течение непродолжительного времени (4,5 лет), и не раскрывают механизм протекания структурных изменений в течение длительного времени, который позволил бы определить состав новообразований, обеспечивающих стабильность структуры в условиях «закрытой» системы.
На основании анализа литературных данных [8, 17, 41, 49, 76...79], а также результатов исследований [22], представленных выше, механизм протекания структурных изменений в «закрытой» системе во времени в силикатном автоклавном материале можно представить в общем виде исходя из следующего.
Известно [5, 8, 17, 76], что в процессе автоклавной обработки в силикатном бетоне образуются гидросиликаты разной основности, количество и содержание которых определяется исходным составом и продолжительностью изотермической выдержки, а также могут содержаться гидроксид кальция и непрореагировавший кремнезем как в аморфной, так и в кристаллическом форме.
Изучение изменения состава, структуры и свойств силикатного бетона в условиях изолированной «закрытой» системы
Данные исследования являются продолжением работы, начатой Е.М. Чернышевым и Л.Н. Адоньевой [5, 7], в которой были изучены изменения в течение 4,5 лет состава, структуры и свойств силикатного бетона с различным исходным состоянием структуры цементирующего вещества.
Исследовались образцы микросиликата с различным Кзх. (таблица 3), хранившихся в течение 27 лет в условиях «закрытой» системы, исключавшую массообмен со средой. Полученные результаты сравнивались с данными исследований, проведенных Е.М Чернышовым и Л.Н. Адоньевой [5, 7], после года и 4,5 лет хранения образцов.
Выбор силикатного автоклавного материала с различной структурой цементирующего вещества (по степени завершенности процесса структурообра-зования) был обоснован данными об основных закономерностях развития цементирующего вещества в ходе гидротермального синтеза [5, 7]. Исследовался силикатный автоклавный бетон на основе известково-песчаной смеси активно-стью 19...22 % с тонкостью помола 3500...3700 см /г, при удельной поверхно-сти кремнеземистого компонента 2000...2200 см /г. В качестве технологического приема получения материала с различным исходным состоянием структуры цементирующего вещества и показателями свойств являлось изменение длительности изотермической выдержки при автоклавной обработке, другие параметры (состав сырьевой смеси, режимы получения сырьевой смеси и сырца) были постоянны. Для изучения устойчивости во времени параметров структуры и показателей свойств выбраны четыре серии материала (таблица 3), отличающиеся исходным состоянием структуры и отражающие характерные этапы процесса гидротермального синтеза цементирующего вещества при температуре 174,5 С [5, 7].
Проведенными исследованиями образцов после 27 лет хранения установлено, что в материалах всех серий произошли изменения состава, структуры и свойств, а направление, величина и характер этих изменений во многом определяется исходным состоянием структуры цементирующего вещества материала.
В модельном материале серии «А» (таблица 6), степень завершенности процессов структурообразования которого характеризуется величиной Кзс. = ОД, произошло существенное изменение параметров структуры цементирующих веществ с момента последнего испытания (после 4,5 лет): степень связности диоксида кремния увеличилась в 3 раза; степень связности оксида кальция возросла в 1,15 раза, что сопровождалось увеличением содержания новообразований от 0,18 до 0,35; величина рН осталась практически неизменной. Эти изменения связаны с продолжающимся синтезом цементирующих веществ из непрореагировавших гидроксида кальция и диоксида кремния, а также гидроксида кальция, выделившегося при переходе высокоосновных гидросиликатов с соотношением C/S = 1,5...2 в гидросиликаты более низкой основности с C/S = 0,8...1,5 (рисунок 13, таблица В.1). При этом переход высокоосновных гидросиликатов в низкоосновные наиболее интенсивно осуществлялся в начальный период (в течение первых 4,5 лет), что подтверждается снижением степени связности оксида кальция в гидросиликаты, при неизменной степени связности диоксида кремния, повышением содержания свободного гидроксида кальция и соответственно рН среды, а также увеличением удельной поверхности цементирующих веществ (таблица 6). К 4,5 годам превалирующим оказался процесс дальнейшего синтеза новообразований. Одновременно начался процесс повышения степени кристаллизации тоберморитоподобных гидросиликатов, о чем также свидетельствует снижение величины удельной поверхности. Произошедшие изменения структуры новообразований подтверждаются результатами рентгеноструктурного анализа (рисунок 13, таблица В.1), который показал, что в течение 4,5 лет на рентгенограммах четко идентифицируются такие минералы, как C2SH (II) [d = (4,26; 3,94; 2,865; 2,461; 1,820)-10-10 м], афвиллит ЗСаО 2Si02 -3H20 [d = (6,57; 5,72; 2,865; 2,138; 1,972; 1,820)-10-10 м] и присутствует еще Са(ОН)2 [d = (4,89; 2,64; 1,94; 1,812; 1,711)-10-10 м и эндо-эффект при (-) 510 С], а к 27 годам хранения на рентгенограммах отмечены только их следы и практически отсутствие Са(ОН)2. Одновременно с этим отмечено значительное увеличение содержания тоберморита и тоберморитоподобных гидросиликатов, а также появление более низкоосновных гидросиликатов: гиролита 2СаО 3Si02 2Н20 [d = (4,26; 3,33; 2,865; 1,873)-10-10 м], оке-нита ЗСаО 6Si02 -6Н20 [d = (3,56; 3,035; 2,97; 1,820)-10-10 м], некоита ЗСаО 6Si02 -8Н20 [d = (3,33; 2,865; 2,461; 1,820)-10-10 м], и это свидетельствует о том, что в структуре материала помимо синтеза новых цементирующих веществ начинают превалировать процессы перехода низкоосновных гидросиликатов кальция в более низкоосновные гидросиликаты, стабильные ддяданнькусловий.
Происходящие структурные изменения, в материале серии «А» носят в основном конструктивный характер, что выражается в существенном повышении прочностных показателей. Так, с момента последних испытаний (4,5 года) прочность при сжатии возросла в 1,6 раза, а прочность при изгибе - в 1,9 раза (рисунки 14, 15). Однако после 27 лет хранения образцов в условиях изолированной «закрытой» системы отмечено увеличение их усадки почти в 10 раз (с 0,09 до 0,91 мм/м), а так как влажность образцов к 27 годам хранения осталась неизменной, то уменьшение объема образцов связано только с перестройкой структуры цементирующего вещества, в частности гидросиликатов кальция, образовавшихся из непрореагировавшего гидроксида кальция и диоксида кремния, переходов высокоосновных гидросиликатов в низкоосновные, а последних в гидросиликаты с еще меньшей основностью и с заменой слабоза-кристаллизованных на хорошо закристаллизованные гидросиликаты.
Таким образом, выполненные исследования показали, что в материале, характеризующимся К3.с. = 0,1, структурные изменения в течение длительного времени в первую очередь связаны с дальнейшим интенсивным синтезом новообразований, а также с переходом имевшихся и образовавшихся гидросиликатов в более низкоосновные.
Несколько иначе протекают изменения в модельном материале серии «Б» с коэффициентом завершенности процессов структурообразования Кзх. = 0,2. Через 27 лет степень связности диоксида кремния в гидросиликаты снизилась в 1,6 раза (в серии «А» увеличилась в 3 раза), величина содержания новообразований уменьшилась с 0,34 до 0,29 (в серии «А» возросла с 0,18 до 0,35), а величина рН снизилась с 11,6 до 10,6 (в серии «А» возросла с 11,4 до 11,9) (таблица 6). Это свидетельствует о том, что в структуре этого материала начали происходить процессы перехода новообразований в гидросиликаты с основностью меньше 0,8 и с выделением геля кремнекислоты, о чем свидетельствует наличие аморфной фазы на рентгенограммах (рисунок 16). И это связано с тем, что на начальном этапе минеральный состав материала с Кзх. = 0,2 (рисунок 16, таблица В.1) был уже представлен гидросиликатами разной основности, в том числе и тоберморитом, в отличие от материала серии «А» с К3.с. - 0,1, в котором были отмечены только следы тоберморита. Через 27 лет в структуре практически отсутствуют высокоосновные гидросиликаты, но отмечено появление большего количества низкоосновных гидросиликатов, в том числе гиролита [d = (4,23; 3,36; 1,827)-10-10 м], окенита [d = (3,07; 3,035; 2,963; 1,818)-10-10 м], а также появление гидроксида кальция [d = (3,12; 1,974; 1,818; 1,674)-10-10 м], хотя в начальный период его не было.
