Заповнювачі для сухих будівельних сумішей
В якості заповнювачів будівельних розчинних сумішей (як готових до вживання, так і сухих) є мінеральні природні або штучно отримані матеріали певного гранулометричного складу. Залежно від крупності частинок заповнювачі поділяють на великі та дрібні…
Як заповнювачів будівельних розчинних сумішей (як готових до вживання, так і сухих) служать мінеральні природні або штучно отримані матеріали певного гранулометричного складу. Залежно від великої кількості частинок заповнювачі поділяють на великі та дрібні.
До великого відносять крупнозернисті матеріали розміром зерен більше 5 мм - щебінь (продукт, що отримується дробленням, частинки якого мають незграбну форму) або гравій (матеріал з округлою формою частинок). Дрібний заповнювач – пісок – має граничний розмір зерен до 5 мм. За щільністю заповнювачі відносять до щільних із щільністю зерен більше 2 г/см3 і до пористих, що мають меншу щільність.
За походженням заповнювачі поділяють на 3 групи: природні; із відходів промисловості; штучні. Застосування заповнювачів та наповнювачів у складах бетонних та розчинних сумішей дозволяє: • поліпшити їх зручність; • підвищити водоутримуючу здатність; • знизити витрати в'язких речовин та вартість сумішей.
У бетонах та розчинах заповнювачі сприяють:
• формування жорсткого каркасу штучного каменю (збільшення його міцності, зменшення деформацій під навантаженням (повзучості), підвищення модуля пружності);
• зменшення деформацій усадки (компенсації внутрішніх деформацій, усунення тріщиноутворення, підвищення довговічності);
• у разі застосування пористих заповнювачів - зниження щільності, покращеннятеплоізоляційних властивостей, зменшення маси споруд та скорочення витрат на будівництво.
Найбільш поширеними і найчастіше використовуваними у складах будівельних розчинних сумішей, зокрема і сухих, є кварцові піски. Придатні також польовошпатові, вапнякові, доломітові, гранітні, діоритові та ін піски, які відповідають вимогам ГОСТ 8736 "Пісок для будівельних робіт. Технічні умови" та ГОСТ "Пісок для будівельних робіт. Методи випробувань".
Як заповнювачі можуть застосовуватися матеріали, призначені для використання в інших (не будівельних) галузях промисловості - формувальні піски, кварцові, польовошпатові та кварцполівошпатові піски для скляної промисловості, для тонкої та будівельної кераміки та ін. за умови, що властивості цих матеріалів відповідають вимогам, для піску для будівельних робіт - ГОСТ 8735 і ГОСТ 8736, а для пористих неорганічних заповнювачів - вимогам ГОСТ 9758 - "Заповнювачі пористі неорганічні для будівельних робіт. Методи випробувань".
Мінерало-петрографічний склад заповнювачів може включати від одного до двадцяти і більше мінералів і визначається походженням та умовами формування гірських порід.
Гірські породи для заповнювачів за походженням можуть бути розділені на 3 основні групи: вивержені, осадові та метаморфічні (видозмінені). Вивержені породи складають близько 95% земної кори і в основному складаються з мінералів, що містять кремнезем. Головними породоутворюючими мінералами цих порід є польові шпати, кварц, фельдшпатоїди, слюди, піроксени, амфіболи та олівіни. Осадові породи становлять лише 5% земної кори. Проте вони відіграють велику роль як джерела матеріалів для наповнювачів. Найчастіше з порідцієї групи використовуються вапняки та доломіти, основними породоутворюючими мінералами яких є карбонатні мінерали кальцію та магнію - кальцит (CaCO3), магнезит (MgCO3) та доломіт (CaCO3 х MgCO3). Осадові породи можуть бути твердими та м'якими, щільними та пористими, важкими та легкими. При використанні цих порід як наповнювачів слід виявляти обережність, тому що вапняки нерідко забруднені глинами, а також можуть містити крем'янисті включення, які є реакційноактивними по відношенню до лужних домішок портландцементу, що може призвести до нерівномірності зміни обсягу при твердінні. Глинисті домішки (особливо бентонітового типу) у присутності вологи набухають, викликаючи появу тріщин у розчинах та бетонах. З метаморфічних порід як заповнювачів найчастіше використовують мармури. Мармур при дробленні утворює зерна кубоподібної форми з шорсткою поверхнею та є чудовим матеріалом для заповнювачів.
За наявності в піску домішок цеолітів (алюмосилікатів кальцію, калію, натрію та ін. металів), графіту та горючих сланців потрібна перевірка довговічності розчину. Цеоліти (натрієво-кальцієві алюмосилікати) в результаті катіонного обміну можуть підвищити кількість лужних катіонів у поровій рідині і стати причиною висолоутворення.
За наявності у заповнювачі аморфних різновидів кремнезему виникає небезпека руйнування розчинів та бетонів внаслідок лужної корозії заповнювача. Лужні домішки цементу, переважно у вигляді лужних сульфатів, вступають у розчині в обмінну реакцію з продуктом гідролізу клінкерних фаз - мінералом портландитом (Ca(OH)2) з утворенням CaSO4 x 2H2O, внаслідок чого в розчині підвищується концентрація гідроксид-іонів, а сульфат- іони, зв'язуючись зпродуктами гідратації C3A та C4AF, виводяться з рідкої фази у вигляді важко розчинних еттрингітоподібних фаз (Aft-фаз).
У лужній корозії беруть участь такі мінерали та породи, як опал, халцедон, кремінь, вулканічні стекла, крем'янисті сланці (роговики). Якщо петрографічне дослідження вказує на наявність у заповнювачі вищезгаданих і подібних до них мінералів або гірських порід, необхідно проведення визначення реакційної здатності заповнювача. Випробування реакційної здатності заповнювача проводять відповідно до ГОСТ 8269. Заповнювач відноситься до потенційно реакційного, якщо кількість розчиненого кремнезему в умовах досвіду перевищує 50 ммоль/л (ГОСТ 8736).
Заповнювачі займають до 80%, а в деяких випадках і більше, обсягу будівельних розчинних сумішей і дозволяють скоротити витрату мінерального в'яжучого і зменшити усадочні деформації цементного каменю, які можуть досягати 6-10 мм/м. Заповнювачі та наповнювачі в розчині сприяють релаксації (ослабленню) механічних напруг, що виникають у цементному камені внаслідок його усадки. Деформації сумішей цементу, що твердіють, при цьому знижуються приблизно в 10 разів порівняно з власними деформаціями цементного каменю.
На формування властивостей будівельних розчинних (бетонних) сумішей і одержуваних при їх затвердінні штучних каменеподібних матеріалів (розчинів та бетонів) впливають гранулометричний склад, форма зерен, стан поверхні та міцність заповнювача.
Зерновий склад може бути безперервним та уривчастим. Зерновий склад називається безперервним, якщо при послідовному просіюванні проби заповнювача через стандартний набір сит одержують залишки на всіх ситах. Якщо ж будь-які проміжні фракції відсутні, то такийзерновий склад є уривчастим.
Існують різні думки щодо оптимального зернового складу заповнювача. Більшість дослідників вважають ефективнішим безперервний зерновий склад наповнювачів. Суміші з уривчастим зерновим складом схильні до розшарування.
Для вибору безперервного зернового складу наповнювача пропонувалися різні "ідеальні" гранулометричні криві. Оскільки не можна отримати суміш одночасно з мінімальним об'ємом міжзернових порожнин і найменшою питомою поверхнею зерен (мінімізація може бути виконана лише за одним параметром), то ідеальна крива підбирається з умови, щоб об'єм порожнеч у суміші та сумарна поверхня зерен забезпечували необхідну рухливість розчинної (бетонної) суміші при мінімальному витраті терпкого.
Порожнеча заповнювача безпосередньо пов'язана з його зерновим складом. Теоретично обсяг порожнеч у наповнювачі не залежить від крупності його зерен. Насправді найбільш щільні, як і найменш щільні, упаковки мало ймовірні, і на практиці має місце деяке проміжний стан, що визначається ступенем ущільнення. Теоретично найбільш щільне укладання куль характеризується пустотністю 26.2%, а найменш щільне - 47.6%.
Якщо частинки мають незграбну поверхню, то ймовірні значення порожнечі зростають. Особливо помітно (до 60%) збільшується порожнеча, якщо у заповнювачі присутні зерна подовженої форми (гольчасті, лещадні). Заповнювачі з окатаною формою зерен характеризуються щільнішою упаковкою.
У сумішах, що містять зерна різної крупності, дрібніші зерна будуть розташовуватися в порожнинах між більшими, і пустотність заповнювача буде зменшуватися. Якщо зерна фракцій, що змішуються, мало різняться по крупності, то розмір більшдрібних зерен може виявитися більшим, ніж розмір порожнин між великими зернами, і відбудеться розсунення більших зерен, що призведе до збільшення порожнечі. Теоретично показано, що найбільш тісна упаковка зерен двох фракцій заповнювача досягається в тому випадку, якщо розмір частинок однієї з них приблизно в 6,5 разів менше розміру частинок іншої.
Пісок, просіяний на ситах двох близьких номерів, тобто що складається з зерен майже однакової крупності, має пустотність 40-47%. При оптимальному вмісті в піску великих, середніх та дрібних зерен порожнеча не повинна перевищувати 38%. При заповненні порожнин між зернами для забезпечення зручності (рухливості) необхідний деякий надлишок цементного тіста, тому, якщо в розчинах (бетонах) цементним тестом заповнити порожнечі між зернами піску, то суміші виходять малопластичними, жорсткими.
Цементне тісто має не тільки заповнювати міжзернові порожнечі, а й створювати навколо зерен цементні оболонки, які розсувають частинки заповнювача та забезпечують підвищення рухливості розчинної (бетонної) суміші, а при твердінні скріплюють зерна між собою.
У вітчизняній літературі рекомендації щодо обґрунтування вибору пісків стосовно складів будівельних розчинних сумішей обмежуються вказівками про гранично допустиму крупність зерен: так, відповідно до вимог ГОСТ 28013 "Розчини будівельні.
Загальні технічні умови", найбільша крупність зерен заповнювача повинна бути, мм, не більше:
• у складах розчинів кладок (крім бутової кладки) - 2.50;
• у складах для бутової кладки – 5.00;
• у штукатурних розчинах (крім накривального шару) – 2.50;
• у штукатурних розчинах для накривального шару – 1.25.
У складах клеїв дляоблицювальної плитки та в клеях для монтажу блоків із пористих бетонів граничний розмір зерен становить 0.63 мм. У шпаклівках і затирання використовують ще більш тонкодисперсні заповнювачі та наповнювачі з граничним розміром частинок 0,25-0,315 мм.
Вміст зерен піску більшістю 2.50 мм для штукатурних розчинів і більше 1,25 мм для оздоблювальних розчинів не допускається. Аналогічні обмеження на крупність зерен заповнювача для штукатурних розчинів містить і "Зведення правил" СП 82-101-98 Держбуду України "Приготування та застосування будівельних розчинів". Ці обмеження стосовно деяких складів штукатурних розчинів, зокрема, до декоративних, вимагають коригування.
Нерідко виникає необхідність у використанні будівельних розчинів (бетонів) зі зниженою об'ємною масою (легкі та теплоізоляційні штукатурки, звукоізолюючі (акустичні) штукатурки, сануючі штукатурні розчини, розчини кладки з високими теплоізолюючими властивостями та ін.).
Зниження щільності таких будівельних матеріалів, поряд з іншими способами (повітрозтягнення, газо- та піноутворення), може бути забезпечене застосуванням у складі сумішей пористих заповнювачів. Основною кваліфікаційною характеристикою пористих заповнювачів є їхня насипна щільність.
Пористі піски по насипній щільності поділяють на марки від 75 до 1400. Марка відповідає максимальному значенню насипної щільності заповнювача в сухому стані, кг/м 3 .Пористі заповнювачі можуть бути отримані:
• із природної сировини (пемза, вулканічні шлаки, вулканічні туфи, пористі вапняки, вапняки-черепашники, кремнеземні породи);
• з відходів промисловості (доменні шлаки, паливні шлаки, золи та золошлакові суміші,деревні та інші відходи промисловості);
• штучним шляхом із природної сировини та відходів промисловості (керамзит, аглопорит, шлакова пемза, шунгізит, спучені перліт, вермікуліт та ін.).
До ультралегких високоефективних наповнювачів відноситься пінополістирол. Його щільність у компактному вигляді (плита) становить 40-55 кг/м3. Пінополістирол має дуже низьку теплопровідність.
0,04 вт/м х К. Полістирол у вигляді подрібненої крихти з крупністю частинок до 1 мм вводиться (у кількості 5-7% по масі) до сумішей для теплоізоляційних штукатурок.
Павло Зозуля, к.т.н., СПбГТІ, кафедра будівельних та спеціальних в'яжучих речовин
Докладніше з аналізом технологій та обладнання для виробництва сухих будівельних сумішей Ви можете звітувати Академії Кон'юнктури Промислових Ринок «Аналіз обладнання для виробництва сухих будівельних сумішей ».