Легкий пористый заполнитель автоклавного генезиса

Введение. Дефицит легких пористых заполнителей природного происхождения приводит к изысканию и организации их производств искусственными путями и способами. Последние же связаны со значительными затратами на их производство как сырьевого, топливно-энергетического и строительного характера. Самыми распространенными легкими пористыми заполнителями, получаемыми на основе сегодняшних доступных технологий, являются керамзит [1, 2], аглопорит [3, 4], пеностекло [5, 6], пенополистирол [7, 8], вспученный вермикулит [9, 10] и перлит [11, 12]. Эти заполнители имеют много отличий в сравнении друг с другом. В научно-технической литературе достаточно хорошо освещены сырьевые компоненты, технологии и способы получения вышеперечисленных заполнителей, их свойства, сферы применения и получаемые виды материалов и изделий на их основе. Следует отметить, что значительно большое количество работ посвящены получению легких бетонов конструкционно-теплоизоляционного назначения и строительных растворов различного рода [13-15]. В нашей стране последние годы начали массово использовать ячеистые бетоны при строительстве мало- и высокоэтажных жилых зданий. Этому предшествовали несколько причин: потребность в использовании теплоизоляционных стеновых материалов и изделий вместо традиционного строительного кирпича при строительных работах с целью улучшения энергоэффективности и повышения сейсмической стойкости зданий; значительно большие расходы топливно-энергетических ресурсов и природного глинистого сырья на производство строительного кирпича; и т.д. Надо отметить, что ячеистые бетоны делятся на пено- и газобетоны [16, 17], которые также разделены по условиям затвердевания на автоклавные и неавтоклавные. По ряду свойств ячеистые бетоны автоклавного твердения превосходят неавтоклавные, что вызывает большего доверия у строителей. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 381 Аниқ ва ижтимоий-иқтисодий фанлар На производствах ячеистых бетонов образуется брак изделий, которые непосредственно возвращаются в технологический цикл производства. Во время транспортировки и при выполнении работ по возведению или же обшивки стен образуются куски и обломки в виде отходов. В будущем же при выполнении сносов зданий и капитальных работах по реконструкции сегодняшнее возводимых зданий будут образовываться строительные отходы в виде ячеистых бетонов. Одним из возможных вариантов решения этих проблем, может быть, строительство дополнительной линии по получению легких пористых заполнителей на основе ячеистых бетонов непосредственно на предприятиях по их производству или же организация отдельного производства. Получаемый легкий пористый заполнитель посредством дробления будет состоят из фракций 0-40 мм, которое посредством же грохочения можно разделить на требуемые фракции по отдельности. Газобетонная крошка состоит из фракций от 0 до 40 мм по данным [18-21], имеет среднюю насыпную плотность 200-500 кг/м3, прочность при сдавливании в цилиндре не менее 0,5 МПа, влажность в естественном состоянии не более 25%, теплопроводность в сухом состоянии не более 0,12-0,14 Вт/(м·℃) и удельная эффективная активность естественных радионуклидов не превышает 370 Бк / кг и т.д. Получаемая смесь заполнителя в первоначальном виде может быть использована в качестве теплоизоляционных засыпок [21, 22]. Её можно будет использовать для получения легких бетонов и строительных растворов [6, 8, 23-28]. На основе мелких фракций можно изготовлять штукатурные растворы теплоизоляционного назначения [29, 30]. С применением их имеется возможность изготовление теплых половых стяжек внутри жилых помещений не производственного назначения [31]. Вышеотмеченные факты, особенности и преимущества делают легкие пористые заполнители, получаемые из ячеистых бетонов весьма перспективными и возможной альтернативой имеющимся такого рода заполнителей. Предыдущими нашими исследованиями были проведены сравнительные анализы адсорбционных [32] и водопоглощающихся [33] свойств газобетонов автоклавного твердения. Целью данных исследований являлось изучение возможности получения легких пористых заполнителей из газобетонов автоклавного твердения. На основе поставленной цели были сформированы нижеследующие задачи: - дробление газобетона автоклавного газобетона и изучение гранулометрического состава получаемых смесей заполнителя; - определение насыпной объёмной массы заполнителя в неуплотненном состоянии; - изучение водопоглощающей способности различных фракций заполнителя. Характеристики сырья и методы исследования. В исследованиях были использованы автоклавные газобетоны «Arton» (г. Ахангаран) со средней плотностью D 500. Предварительно осуществляли сушку до постоянной массы при 100±5 ℃. Осуществляли дробление, на стандартном литровом сосуде измеряли насыпную объёмную массу и посредством набора сита проводили изучение гранулометрического состава. Была изучена водопоглощающая способность различных фракций погружением их в воду на 24 часа. Для выполнения этих исследований были использованы электронные технические весы, сушильный шкаф, набор сит и 2 литровый стандартный сосуд. На табл. 1 и рис. 1 приведены химический состав и рентгенограмма использованного нами газобетона автоклавного твердения. Как и оказалось, основным компонентом газобетона является диоксид кремния (SiO₂), содержание которого составляет 49,40 %, что соответствует применению кварцевого песка в качестве кремнеземистого компонента. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 382 Точные и гуманитарно-экономические науки Табл. 1. Химический состав газобетона автоклавного твердения, % SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 K2O TiO2 ZrO2 примеси п.п.п. Ʃ 49,40 3,62 33,26 1,49 0,76 1,95 1,08 0,13 0,17 0,46 7,55 100,0 Примечание: п.п.п. – потери при прокаливании. Существенную долю также занимает оксид кальция (CaO) – 33,26 %, поступающий, как правило, из извести. Оксид алюминия (Al₂O₃) содержится в количестве 3,62 % и обычно связан с применением алюминиевой пасты. Железо в виде оксида железа (Fe₂O₃) присутствует в небольшом количестве (1,49 %), так же, как и другие оксиды: магния (MgO) – 0,76 %, серы (SO₃) –1,95 %, калия (K₂O) – 1,08 %, титана (TiO₂) – 0,13 %, циркония (ZrO₂) – 0,17 %. Доля прочих примесей составляет 0,46 %, а потери при прокаливании (п.п.п.) – 7,55 %, что может быть связано с наличием органических веществ или связанной воды. На рентгенограмме были выявлены следующие фазы: тоберморит (C-S-H фаза) (d = 4,23; 3,98; 3,39; 3,22; 2,47; 2,27 Å), кварц (SiO₂) (d = 5,41 Å; 2,27 Å), кальцит (CaCO₃) (2,79; 2,22 Å) и гидроксиды и сульфаты (d = 1,97; 1,85; 1,65; 1,53; 1,39; 1,37 Å). Тоберморит – кальций-силикатный гидрат, который формируется в процессе автоклавного твердения и отвечает за высокую прочность и долговечность газобетона. В образце также выявлен кварц — первоначальный кремнеземистый материал, который частично сохранился и не вступил полностью в реакцию в процессе автоклавного твердения. Небольшие пики, соответствующие кальциту, указывают на частичное образование карбонатных фаз, что возможно вследствие взаимодействия с углекислым газом в процессе или после производства. Низкоинтенсивные пики в спектре свидетельствуют о наличии гидроксидов и сульфатов, которые образовались в результате побочных химических реакций или присутствуют как примеси в исходном сырье. Рис. 1. Рентгенограмма автоклавного газобетона Результаты исследований и их обсуждение. В процессе дробления газобетон автоклавного твердения дробился на бесформенные куски, то есть получаемый заполнитель имел многогранную форму. Поверхность каждой грани заполнителя имела пористую ячеистую структуру. Эти два аспекта дают нам предположит наличия у данного заполнителя “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 383 Аниқ ва ижтимоий-иқтисодий фанлар высокий показатель адгезии (сцепления) с вяжущим раствором при использовании его в качестве заполнителя в бетонах и строительных растворах. В дробленной смеси с размерами зерен менее 40 мм общее содержание крупного заполнителя ˃ 5 мм оказалось - 84,05 %, а мелкого заполнителя ˂ 5 мм – 11,50 % и наполнителя ˂ 0,14 мм – 4,45%. Просеивание смеси заполнителя, дробленного до размеров менее 20 мм, показал, что общее содержание крупного заполнителя ˃ 5 мм оказалось – 69,60 %, а мелкого заполнителя ˂ 5 мм – 21,56 % и наполнителя ˂ 0,14 мм – 8,84%. В смеси заполнителя, измельченного до размеров менее10 мм общее содержание крупного заполнителя ˃ 5 мм оказалось – 43,20 %, а мелкого заполнителя ˂ 5 мм – 42,97% и наполнителя ˂ 0,14 мм – 13,83%. Дальнейшее просеивание смеси заполнителя размером зерен менее 5 мм показало, что в смеси содержится в основном зерна крупностью 5-2,5 мм (30,64 %), 2,5-1,25 мм (19,81 %) и ˂0,14 мм (19,30%). Оказалось, что модуль крупности смеси заполнителя размером меньше 5 мм имеет значение Мк =3,0475 относящийся к группе повышенной крупности. Конечное просеивание смеси заполнителя размером зерен менее 2,5 мм показало, что в смеси содержится зерна крупностью 2,5-1,25 мм (33,61%), 1,25-0,63 мм (19,34%), 0,63-0,315 мм (22,64%), 0,315-0,14 мм (0,76%) и ˂0,14 мм – остальное. Оказалось, что модуль крупности смеси заполнителя размером меньше 2,5 мм имеет значение Мк =2,3850 относящийся к группе средней крупности (табл. 2). Насыпная объёмная масса дробленки заполнителя в неуплотненном состоянии варьировалось в пределах 0,267-0,448 кг/л. Как оказалось постепенный переход измельчения от крупного до мелкого состояния приводит к увеличению насыпной объёмной массы дробленки заполнителя в рыхло-насыпном состоянии. Это обусловлено тем, что с уменьшением размеров измельчения увеличивается содержание более мелких фракций и происходит более плотная упаковка зерен, а также минимизируется межзерновая пустотность. Сравнительно низкие показатели насыпной объёмной массы полученных смесей заполнителей говорит о возможности использования её в качестве засыпок (теплоизоляторов) в крышах, в многослойных конструкциях и т.д. А самое главное, позволяет предположить изготовления легких бетонов различного класса и конструкционнотеплоизоляционного назначения. Далее были проведены работы по определению показателей водопоглощения каждой фракции заполнителя в отдельности. Полученные результаты водопоглощения различных фракций показали, что данный показатель варьируется в пределах 89,61-161,43% (по массе) и 44,80-80,71% (по объёму). Самый низкий показатель водопоглощения имела фракция 40-20 мм, а самую максимальную фракция 1,25-0,63 мм. Достаточно высокие показатели водопоглощения отдельных фракций заполнителя предупреждает нас, о том, что если будут приготавливаться бетонные растворы на их основе, то надо учитывать, что расход воды будет большим. При этом, возможно более правильным решением этого может быть предварительное водонасыщения смеси заполнителя в ванне с водой перед использованием его для приготовления бетонного или же строительного раствора. Однако, это также может привести к дальнейшим последствиям в виде водоотделения, расслоения бетонных растворов и усадочных деформаций. При этом важную роль будет играть правильный подбор количества воды, добавляемого во время приготовления растворов. Но, есть и положительная сторона, вода находящиеся в порах может служит резервом влаги в процессе твердения и обеспечивать равномерность прохождения процессов гидратации по всему объёму легкого бетона. С использованием результатов фракционного просеивания были определены массовые долевые части крупного и мелкого заполнителя, а также наполнителя. Как оказалось, в смесях дробленки с размерами ˂ 40 мм и ˂ 20 мм преобладает крупный заполнитель, в смеси же ˂ 10 мм наблюдается равенство между крупным и мелким заполнителем. Самую высокую “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 384 Точные и гуманитарно-экономические науки долю мелкого заполнителя имела смесь заполнителя с размерами зерен ˂ 5 мм. Далее все более и более увеличивалось доля наполнительной части в составе смеси. Табл. 2. Свойства легкого пористого заполнителя Долевая часть фракций, % Насыпная объёмная масса, кг/л Смесь заполнителя Модуль крупности Фракционный состав, % Средний диаметр зерен в смеси, мм 0,315-0,63 мм 0,14-0,315 мм наполнитель 0,63-1,25 мм 1,25-2,5 мм № 2,5-5,0 мм 20-40 мм 10-20 мм ˂0,14 мм крупная 5-10 мм мелкая 1 ˂40 мм 64,68 15,23 84,05 11,50 0,267 22,18 4,14 2,38 3,21 2,27 3,59 0,05 4,45 4,45 - 2 ˂20 мм 56,80 12,80 69,60 21,56 0,301 5,00 5,46 3,85 7,01 0,24 8,84 8,84 9,85 - - 3 ˂10 мм 43,20 11,94 10,86 11,75 13,83 43,20 42,97 13,83 0,360 7,76 0,66 4,03 - - - 4 ˂5 мм 30,64 19,81 12,43 19,30 80,70 19,30 0,411 17,2 0,62 3,04 1,73 - - - - 5 ˂2,5 мм 33,61 19,34 22,64 23,65 76,35 23,65 0,448 0,76 2,38 0,94 - - - - - Водопоглощение фракций заполнителя (по массе), % 118,27 136,17 152,65 161,43 159,39 157,89 120,18 89,61 98,41 Водопоглощение фракций заполнителя (по объёму), % 44,80 49,20 59,13 68,08 76,32 80,71 79,69 78,94 60,09 На основе количественных значений гранулометрического состава был рассчитан средние диаметры зерен дробленной смеси (дробленка) по ниже следующей формуле: где: dср,фракции – средний диаметр конкретной фракции (обычно берётся как среднее арифметическое границ фракции), % фракции – массовая доля фракции. Полученные показатели по расчету приведены в таблице 2. Как оказалось, с уменьшением размеров газобетонной дробленки понижался средний диаметр зерен смеси. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 385 Аниқ ва ижтимоий-иқтисодий фанлар Заключение. Таким образом, доказано возможность получения легких пористых заполнителей из газобетонов автоклавного твердения посредством дробления и разделения её на фракции с применением процесса грохочения. Получаемый при этом продукт имеет зерна многогранной формы, достаточно низкие показатели насыпной объёмной массы, высокие показатели водопоглощения и т.д. Имеется возможность получения, как и крупных так и мелких видов заполнителей. Полученные результаты исследований еще раз показывают возможности расширения видов и сырьевой базы легких пористых заполнителей за счет автоклавных газобетонов, а также полученные данные свидетельствуют о потенциале применения данного вида заполнителя в разработке новых типов конструкционнотеплоизоляционных бетонов и растворов. Данный вид легкого пористого заполнителя может составить конкуренцию с точек зрения себестоимости, затрат на производство, совокупности свойств и т.д. имеющимся традиционным заполнителям, как например, керамзит