УДК 666.973.6
М.В. КАФТАЕВА, доктор техн. наук, зам. генерального директора по производству ООО «Сибирский элемент – Рента-К», А.А. РЕНГАЧ, генеральный директор, ООО «Сибирский элемент – Рента-К», Н.А. ВОЙТЕХОВСКАЯ, главный технолог СЗАО «КварцМелПром», Республика Беларусь, С.П. ЖИГУЛИН, генеральный директор ООО «Торговый дом «Калужский газобетон»
Ключевые слова: ячеистые бетоны, рентгенофазовый количественный анализ, марка по морозостойкости, низкоосновные гидросиликаты кальция, тоберморит, ксонотлит
Keywords: cellular concrete, x-ray phase quantitative analysis, frost resistance grade, low-base calcium hydrosilicates, tobermorite, xonotlite
В статье приведены результаты исследований по количественному фазовому анализу автоклавных газобетонов. Установлено, что морозостойкость газобетонов прямо пропорционально зависит от количества в газосиликатной связке низкоосновных гидросиликатов кальция, в частности – тоберморита. Определено, что при содержании тоберморита и других гидросиликатов кальция тоберморитового ряда в газосиликатной связке менее 7% по массе марка по морозостойкости газобетона составляет не более F25. При содержании тоберморита в связке более 48% марка по морозостойкости достигает 100 циклов.
Одним из самых перспективных стеновых строительных материалов с точки зрения теплотехнических параметров стен и их соответствия современным требованиям к теплозащите ограждающих конструкций зданий является автоклавный ячеистый стеновой материал, называемый газо- и пенобетон или газо- и пеносиликат (далее – газосиликат). Несмотря на то что это далеко не новые материалы, благодаря развитию технологии их производства они приобрели совершенно уникальные свойства. Так, при марке по средней плотности D400 можно стабильно получать классы по прочности при сжатии B2,0-B3,5, а марка по средней плотности D600 может быть обеспечена классами по прочности B3,5-В7,5, при этом марка по морозостойкости высокопрочных газосиликатов доходит уже до ста циклов (F100).
В прошлом столетии технологии не позволяли получать автоклавные газосиликаты марок по средней плотности ниже D800, при этом классы по прочности были очень низки: В1,0, В1,5, В2,0, а марки по морозостойкости получались F15, F25 и максимум возможного – F35. По этой причине проектировщики и строители привыкли считать, что автоклавный газосиликат имеет низкие показатели прочности и долговечности. Именно поэтому производители автоклавных газосиликатов, работающие на современных технологических линиях, испытывают сложности при продвижении этого материала в строительство.
Известно, что изотермическая выдержка газосиликатных изделий при их автоклавной обработке производится при температуре 185-205°С. Возникает вопрос, а каков фазовый состав гидросиликатной связки газосиликатных изделий в этих условиях? Литературные данные по этому вопросу неоднозначны и крайне противоречивы.
Согласно наиболее авторитетным источникам, основными гидратными фазами, которые образуются в интервале температур 160-200°С, являются тоберморит (11,3
) и ксонотлит [1-6]. Первый имеет состав 5CaO∙6SiO2∙5,5H2O или CaO∙1,2SiO2∙1,1H2O, а второй – 6CaO∙6SiO2∙H2O или CaO∙SiO2∙0,17H2O. Литературные данные не дают прямого ответа на вопрос о том, какой из этих гидросиликатов образуется в зависимости от температуры и продолжительности запарки.
В ряде статей [7-10] мы приводили результаты теоретических исследований процессов фазообразования в системе CaO–SiO2–H2O. Наши расчеты показали, что нижние пределы температуры образования тоберморита и ксонотлита отличаются мало, что объясняет известные экспериментальные данные [6] о совместном присутствии этих двух соединений в автоклавированных смесях извести и песка.
Проведенные нами рентгенофазовые и термографические исследования газосиликатных бетонов различных марок по плотности подтвердили факт наличия тоберморита и ксонотлита в образовавшихся системах. Однако количество гидросиликатных и других фаз, из которых состоят газосиликаты, до настоящего времени не известно.
Данная работа посвящена этому вопросу.
Нами были изучены имеющиеся материалы количественного фазового анализа нескольких предприятий. Оказалось, что низкоосновных гидросиликатов кальция в газосиликатных материалах может быть совершенно разное количество. Так, например, тоберморита может быть от 1 до 56% (табл. 1).
Таблица 1. Количественный фазовый анализ газобетонов
| № п/п | Минеральная фаза | Формула | Предприятие «А» | Предприятие «Б» |
| 1 | Тоберморит | Ca5Si6(O, OH, F)18·5H2O | 1 | 55 |
| 2 | Кварц | SiO2 | 28 | 32 |
| 3 | Катоит | Ca2,93Al1,97(Si0,64O2,56) (OH)9,44 | 3 | 2 |
| 4 | Кальцит | CaCO3 | 2,5 | 5,5 |
| 5 | Ксонотлит | Ca6Si6O17·(OH)2 | 1,5 | |
| 6 | Фатерит | CaCO3 | 3 | |
| 7 | Ангидрит | CaSO4 | 1,4 | |
| 8 | Гипс | CaSO4·2H2O | 0,6 | |
| 9 | Псевдоволластонит | Ca3Si3O9 | 12,5 | |
| 10 | Рентгеноаморфная фаза | 51,5 |
В данной таблице представлены результаты измерений дифрактометрическим методом рентгеновским дифрактометром X-pert Pro (Panalytical, Нидерланды) газобетона двух предприятий.
Удельная поверхность песка в песчаном шламе предприятия «А» составляла 2800 см2/г, предприятия «Б» – 2200 см2/г.
Из приведенных в таблице результатов видно, что исследованные образцы кардинально отличаются друг от друга по минералогическому составу при выполнении испытаний одним и тем же дифрактометром. При этом предприятие «А» в документе о качестве указывает марку по морозостойкости F25, а предприятие «Б» – F100. Отсюда можно предположить, что долговечность, которая характеризуется морозостойкостью, выше в газосиликатах с высоким содержанием низкоосновных гидросиликатов кальция, в частности тоберморита.
Для проверки этого предположения нами был выполнен эксперимент по определению количественного фазового анализа газосиликата различных марок по средней плотности, выпускаемого ООО «Сибирский элемент – Рента-К». Для этого в Аналитико-технологический сертификационный испытательный центр ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» (г. Казань) и в лабораторию физических и химических методов исследований минерального вещества института геологии и геохимии УрО РАН (г. Екатеринбург) были отправлены пробы газобетона ТМ «Калужский газобетон» следующих марок по средней плотности и классов по прочности при сжатии: D600 B5 и B3,5; D500 B3,5 и D400 B2,5. Удельная поверхность песка в шламах следующая: D600 B5 и В3,5 – 1900 см2/г; D500 B3,5 – 2000-2100 см2/г;
D 400 B2,5 – 2100-2200 см2/г.
Определение фазово-минерального состава (полуколичественного) в лаборатории ИГГ УрО РАН производилось по методике идентификации фазового состава горных пород и минералов с использованием рентгеновского дифрактометра XRD-7000 фирмы Shimadzu (методика РФА №88-16360-119-01.00076-2011), зав. №Q 30544600084СZ; фильтрованное Cu Ka-излучение, порошковые пробы исследовались в области углов 3-70° со скоростью 1°/мин. Расчет содержания минеральных фаз (полуколичественное определение) производился по программному комплексу SIROQUANT.
Результаты измерений приведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты РКФА калужского газобетона, полученные в ИГГ УрО РАН
| № пробы | Описание пробы | Прочность при сжатии, МПа | Марка по морозостойкости, F | Минеральный состав, % масс. | ||||
| Тоберморит | Кварц | Ангидрит | Полевой шпат (плагиоклаз) | Рентгеноаморфная фаза | ||||
| Проба 1 | D 600 B 5 | 5,4 | 100 | 56 | 39 | 3 | 2 | — |
| Проба 2 | D 600 B 3,5 | 4,0 | 100 | 48 | 46 | 3 | 3 | — |
| Проба 3 | D 500 B 3,5 | 3,8 | 100 | 57 | 39 | 2 | 2 | — |
| Проба 4 | D 400 B 2,5 | 2,8 | 100 | 64 | 33 | 2 | 1 | — |
Те же пробы газосиликатов были испытаны другим методом.
Рентгенографический количественный фазовый анализ трех проб газобетона «Калужский газобетон» в АСИЦ ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» был проведен дифрактометром D8 ADVANCE фирмы Druker по CТО 01423659.A -108-2007 «Методика проведения рентгенографического фазового анализа» МР НСОММИ №175. Режим съемки – Cu K-излучение, 40 kV, 30mA, шаг сканирования 0,02°, экспозиция 1 сек. Результаты РКФА приведены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты РФКА калужского газобетона, проведенного в АСИЦ ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», г. Казань
| № пробы | Описание пробы | Минеральный состав, % масс. | |||||
| Тоберморит | Кварц | Ангидрит | Полевой шпат | Кальцит | Клинкерные минералы | ||
| Проба 1 | D 600 B 3,5 | 44,8 | 43,8 | 1,8 | 5,4 | 1,5 | 2,7 |
| Проба 2 | D 500 B 3,5 | 50,0 | 33,9 | 0,8 | 7,8 | 2,3 | 5,2 |
| Проба 3 | D 400 B 2,5 | 51,7 | 31,1 | 0,6 | 8,7 | 2,0 | 5,9 |
Подвергшиеся РФКА исследованиям газосиликаты прошли сертификационные испытания, в результате которых установлено, что все они соответствуют требованиям ГОСТ 31360-2007 «Изделия стеновые неармированные из ячеистых бетонов автоклавного твердения. Технические условия», в том числе их марка по морозостойкости составляет F100 циклов.
Авторами был запланирован еще один эксперимент, в котором были получены и испытаны газосиликаты марки по средней плотности D500 с низким содержанием низкоосновных гидросиликатов кальция: тоберморита и ксонотлита. Результаты исследований приведены в табл. 4.
Таблица 4. Результаты исследований свойств газосиликатов с низким содержанием тоберморита и ксонотлита
| № п/п | Минеральная фаза | Формула | Партия 1 | Партия 2 |
| 1 | Тоберморит | Ca5Si6(O, OH, F)18·5H2O | 6 | 8 |
| 2 | Ксонотлит | Ca6[Si6O17]·(ОH)2 | 1 | 5 |
| 3 | Кварц | SiO2 | 40 | 25 |
| 4 | Катоит | Ca2,93Al1,97(Si0,64O2,56) (OH)9,44 | 4 | 2 |
| 5 | Кальцит | CaCO3 | 4 | 2 |
| 6 | Кальциевый силикат | СаSiO3 | 3,5 | |
| 7 | Скаутит | Ca7(Si3O9)2(СO3)·2H2O | 1 | |
| 8 | Рентгеноаморфная фаза | 45 | 53,5 | |
| Марка по морозостойкости, циклов | F 25 | F 35 | ||
| Прочность при сжатии, МПа | 3,6 | 3,6 |
Проведенные эксперименты показывают, что при низком содержании тоберморита и ксонотлита морозостойкость газосиликатов снижается. С повышением количества низкоосновных гидросиликатов кальция в газосиликатах, морозостойкость значительно вырастает.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что морозостойкость автоклавных газосиликатов напрямую зависит от количества низкоосновных гидросиликатов кальция, образовавшихся в результате гидротермального синтеза в автоклавах. Так, по данным авторов, при содержании в составе гидросиликатной связки газобетонов минералов тоберморитового ряда ниже 7% по массе, их морозостойкость составляет не выше 25 циклов, при количестве более 13% – марка F35. При содержании массового количества тоберморита более 48% – марка по морозостойкости составляет 100 циклов.
Считаем, что необходимо проведение более глубоких научных исследований по проблеме, освещенной в настоящей публикации.
Библиографический список
1. Бутт Ю.М., Рашкович Л.М. Твердение вяжущих при повышенных температурах. – М.: Стройиздат, 1965. – 244 с.
2. Горшков В.С., Тимашов В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. – М.: Высшая школа, 1981. – 335 с.
3. Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., Мчедлов-Петросян О.П. Термодинамика силикатов. – М.: Стройиздат, 1986. – 406 с.
4. Маракушев А.А. Термодинамика метаморфической гидратации минералов. – М.: Недра, 1968. – 200 с.
5. Равдель А.А., Пономарева А.М. Краткий справочник физико-химических величин. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.
6. Абрамов С.А. Разработка тампонажного материала для крепления скважин, эксплуатирующихся в условиях циклического теплового воздействия: автореф. дисс. … канд. техн. наук. – Краснодар, 1988. – 26 с.
7. Кафтаева М.В., Рахимбаев Ш.М., Поспелова Е.А. Исследование фазового состава автоклавных ячеистых бетонов / Современные проблемы науки и образования. 2013. №5. URL: www.science-education.ru/111-10053 (дата опубликования: 10.09.2013).
8. Кафтаева М.В., Рахимбаев И.Ш., Шарапов О.Н. Tермодинамический расчет сравнительной гидратационной активности силикатных компонентов газобетонов автоклавного твердения / Современные проблемы науки и образования. 2014. №1. http://www.science-education.ru/115-11593 (дата опубликования: 13.01.2014).
9. Кафтаева М.В., Рахимбаев Ш.М., Комарова Н.Д., Курбатов В.Л. Термодинамический анализ реакции образования ксонотлита из известково-кремнеземистого вяжущего при автоклавном твердении / Ползуновский вестник. 2016. №1, с. 77-80.
10. Кафтаева М.В., Рахимбаев И.Ш. Термодинамический анализ процессов гидротермального синтеза ксонотлита с применением цикла Борна – Габера / Вестник СВФУ им. М.К. Аммосова. 2016. №5 (55), с. 93-101.
