CC BY
55УДК 691.327.33
М.В. КАФТАЕВА, канд. техн. наук, И.Ш. РАХИМБАЕВ, канд. техн. наук, Белгородский государственный технический университет им. В.Г. Шухова
О влиянии первичного и вторичного эттрингита на качество автоклавного газобетона
В процессе производства газобетонных изделий автоклавного твердения, в которых один из компонентов представлен гипсом, а в качестве порообразователя используется алюминиевая пудра или паста, в изделиях образуется комплексное химическое соединение — эттрин-гит [1]. Этот минерал, именуемый также трехсульфатной формой гидросульфоалюмината кальция, имеет сложный состав: 3CaO•Al2Oз•3CaSO4•32H2O (CзA•3CSHз2).
Влияние эттрингита на свойства строительных материалов и изделий неоднозначно и зависит как от состава последних, так и от внешних условий. Если эттрин-гит кристаллизуется в среде, насыщенной гидроксидом кальция, то он вызывает расширение материала, вплоть до его растрескивания. Если же концентрация гидро-ксида кальция в поровой жидкости строительного изделия ниже 0,5 г/л, то эттрингит кристаллизуется без существенного расширения, армируя и упрочняя структуру его вяжущей части.
Эттрингит неустойчив при повышенной температуре и при температуре более 80—90оС превращается в моносульфатную форму 3CaO•Al2Oз•CaSO4•12H2O (С3А^Н12).
Имеется обширная литература о роли эттрингита при твердении расширяющихся цементов и при сульфатной коррозии бетонов, например [2—4]. Однако влияние этого соединения на процессы производства силикатных изделий, в том числе газобетонных изделий автоклавного твердения, исследовано недостаточно. Данная работа посвящена этому вопросу.
Рассмотрим механизм сульфатной коррозии. Известно [5], что величина кристаллизационного давления АР, создаваемого растущими кристаллами, в том числе частицами эттрингита, в порах строительного изделия равна:
.кгьр
; V , (1)
Д Р =
где R — газовая постоянная, равная 8; Т — абсолютная температура среды, К; V — объем, занимаемый кристаллизующейся фазой, м3; в — степень пресыщения раствора.
При высокой концентрации гидроксида кальция в поровой жидкости растворимость гидроалюминатов кальция, особенно ионов алюминия А1[(ОН)4]-, очень мала. Эти ионы локализуются в ограниченном объеме у поверхности гидроалюмината. При низкой концентрации гидроксида кальция из-за большой конгруэнтной растворимости гидроалюмината длина пробега ионов А1[(ОН)4]- в поровой жидкости резко возрастает и объем V, в котором выпадают частицы эттрингита, увеличивается. Это ведет к снижению давления кристаллизации.
С точки зрения изложенных теоретических представлений рассмотрим некоторые переделы в технологии производства газобетонных изделий.
После поризации газобетонной смеси при введении алюминиевых порошка или пасты в системе возможно образование эттрингита, если в смеси присутствует гипс и температура изделий не превышает 80—90оС. Эттрингит кристаллизуется в среде, пересыщенной свежеобразованным гидроксидом кальция, и его объем минимален. Это создает условия для максимального давления кристаллизации (величина Vв уравнении (1) минимальна).
Такое явление один из авторов данной работы наблюдал на предприятии по производству газобетонных изделий литьевым способом в Тюменской области. При изготовлении газобетона использовалась низкотемпературная малоактивная известь (при ее испытании по методикам немецких стандартов DIN температура гашения 60оС достигалась за время более 20 мин) производства Красноярского завода. Кроме того, изготовленные и порезанные массивы (размеры по торцевой части массива при резке были 1500x625 мм) длительное время выдерживались перед автоклавом в цехе при температуре не выше 25оС. За это время произошло падение температуры в верхней части массивов с 85 до 45—50оС. После снижения температуры массив увеличился в объеме, при этом ближе к днищу и в середине массива геометрические параметры почти не изменились, так как теплопотери вблизи горячего металлического днища и в средней части массива обычно значительно меньше, чем в его верхней части (см. рисунок).
Избежать этих изменений помогли мероприятия по стабилизации температурных режимов и уменьшение количества вводимого в состав заливочной смеси гипса [6].
Как минимизировать возможность возникновения внутренней коррозии автоклавного газобетона на начальной стадии его изготовления, т. е. до автоклавирования?
Для образования эттрингита необходим источник активного глинозема либо гидроксида алюминия. Это, во-первых, алюминиевые порошок или паста, из 1 г которых образуется 46,5 г эттрингита. Вторым источником алюминатов является портландцемент, который добавляется в бетон, и расход его порой превосходит расход известкового вяжущего. Если в портландцементе содержится до 10% трехкальциевого алюмината, а дозировка портландцемента 10%, то образуется еще 4,7 г эттрингита, что на порядок меньше, чем в предыдущем случае.
Согласно требованиям фирмы MASA (поставщика технологического оборудования для производства газобетонных изделий) в песке содержание Al2O3 допускается в количестве 5—7%, а иногда и до 18% этого оксида. Из
J
Изменение геометрических параметров массивов при образовании эттрингита: а - массив нормальных размеров; б - массив с изменением геометрических параметров в результате образования эттрингита
б
а
rj научно-технический и производственный журнал
М ® июль 2013 45
1 г глинозема образуется 12 г эттрингита. Однако глинозем в песке в большинстве случаев входит в состав либо полевых шпатов, либо глинистых минералов, которые реагируют с гидроксидом кальция лишь в автоклаве. В связи с этим обычно лишь небольшая часть оксида алюминия, входящая в состав кварцевого песка, может стать источником образования первичного эттрингита. Тем не менее предельное содержание А1203 в песке рекомендуем ограничить 7%, так как нередко в природе встречаются аморфные, активные по отношению к гидроксиду кальция водные алюмосиликаты, которые могут принимать участие в образовании эттрингита.
В процессе автоклавной обработки весь эттрингит и моносульфоалюминат, образовавшиеся на стадии приготовления сырца, разлагаются. После выгрузки изделий из автоклава и остывания массивов до 50оС в них возможно образование так называемого вторичного эттрингита, из продуктов разложения первичного.
Важнейшим фактором, влияющим на давление, создаваемое при кристаллизации эттрингита, является концентрация гидроксида кальция в окружающей среде. Именно от нее зависит численное значение V в уравнении (1).
Основные гидросиликаты кальция — связующие газобетонных изделий — это тоберморит и ксонотлит. Их равновесная растворимость по гидроксиду кальция находится в пределах 0,1—0,3 г/л [1]. При такой концентрации Са(ОН)2 эттрингит кристаллизуется рассредото-ченно, так как объем его образования V недостаточно велик. При этом в структуре камня не возникает деструктивных внутренних напряжений.
Необходимо отметить также, что эттрингит, содержащий 32 молекулы воды, неустойчив при температуре 80—90оС и выше, так что при остывании изделий он не сразу может кристаллизоваться.
На основании изложенного можно сделать вывод, что кристаллизация вторичного эттрингита вряд ли может привести к снижению качества газобетонных изделий, если он образуется в умеренных количествах. Это относится прежде всего к литьевой технологии производства газобетонных изделий, когда для улучшения структурно-механических свойств бетонной смеси в нее на стадии приготовления вводится гипс в количестве до 10%.
Необходимо отметить, что этот гипс, вошел он в состав гидросульфоалюмината или нет, в автоклаве превращается в ангидрит CaSO4. При температуре 180оС он гидрати-рует и переходит в полуводный сульфат кальция, а при 120—130оС — в гипс CaS04•2Н20. Эти процессы сопровождаются локальным увеличением объема твердой фазы.
Не исключено, что именно эти процессы вызывают иногда те деструктивные явления, которые приписывают вторичному эттрингиту. Таким образом:
1. Если для улучшения механических свойств сырцовой смеси в нее вводится гипс, то образование структурно первичного эттрингита в среде, пересыщенной гид-роксидом кальция, может вызвать снижение качества изделий. Для предотвращения этого необходимо:
— максимально ограничить дозировку гипса, а также содержание А1203 в сырьевых материалах (песке, цементе и извести);
— сократить время созревания (в зоне ферментации) и предавтоклавной выдержки сырца, не допуская его охлаждения ниже 70оС перед загрузкой в автоклав.
2. Вторичный эттрингит кристаллизуется в условиях низкой концентрации гидроксида кальция в порах изделий, поэтому не может создавать больших внутренних напряжений в них.
3. Более вероятной причиной отрицательного влияния на качество газобетонных изделий является кристаллизация гипса.
4. Указанные явления в меньшей степени проявляются в ударной технологии производства газобетонных изделий, так как в ней отпадает необходимость добавления гипса в сырьевую смесь.
5. Использование гипса, особенно полуводного сульфата кальция, при ударном способе производства может вызвать большие отрицательные последствия, чем при литьевом способе. Это связано с высокой прочностью и плотностью структуры материала.
Ключевые слова: газобетон, первичный и вторичный
эттрингит, сульфатная коррозия бетона, автоклавная
обработка, кристаллизация минералов.
Список литературы
1. Тейлор Х. Химия цемента. М.: Мир, 1996. 560 с.
2. Штарк Й, Больманн К., Зайфарт К. Является ли эттрингит причиной разрушения бетона? // Цемент и его применение. 1998. № 2. С. 13-22.
3. Рудченко Д.Г. О роли гипсового камня в формировании фазового состава новообразований автоклавного ячеистого бетона // Будiвельнi матерiали, вироби та санггарна техшка. Наук. техн. збiрник. 2012. № 43. С. 47-54.
4. Вишневский А.А. Оптимизация свойств автоклавного газозолобетона пониженной плотности // Применение изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения: Сб. докл. IV науч.-практ. семинара. Екатеринбург, 5 декабря 2012 г. / Под ред. Ф.Л. Капустина. УрФУ, 2012. 107 с.
5. Керн Р., Вайсброд А. Основы термодинамики для минералогов, петрографов и геологов. М.: Мир, 1966. 276 с.
6. Кафтаева М.В., Маличенко Г., Скороходова О.А. Теория и практика ячеистых бетонов автоклавного твердения. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. 192 с.
Книга «Клееные деревянные конструкции с узлами на вклеенных стержнях в современном строительстве (система ЦНИИСК)»
Авторы - д-р техн. наук С.Б. Турковский, канд. техн. наукА.А. Погорельцев, канд. техн. наук И.П. Преображенская
М.: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2013, 308 с.
Книга содержит примеры из опыта применения различных типов конструкций в современном строительстве. Особенность применяемой системы состоит в использовании нового вида соединений в узловых сопряжениях и стыках конструкций, открывающего новые возможности клееной древесины. Система позволяет получить большепролетные сборные конструкции повышенной надежности, в том числе уникальные. Кроме того, теперь имеется возможность на основе серийно изготавливаемых унифицированных элементов создавать самые различные конструктивные системы - как по форме, так и по размерам. Система создана на основании длительных исследований (с 1974 г.), проводимых сотрудниками лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, а также опыта проектирования, изготовления и применения клееных деревянных конструкций за последние 15-20 лет.
Книга содержит материалы, рекомендуемые работникам проектных организаций, студентам, аспирантам, инженерам-строителям и др.
Цена 1500 р. без почтовых расходов.
Тел./факс: (499) 976-22-08; 976-20-36 www.rifsm.ru
46
научно-технический и производственный журнал
июль 2013
jVJ ®
