Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения





















Яндекс.Метрика

Растворы и бетоны на растворимом стекле

Растворимое стекло представляет собой высоковязкий, мутный, водный раствор силикатов калия и натрия от желтоватого до зеленоватого цвета и является негидравлическим вяжущим холодного твердения для растворов и бетонов. Кроме производства огнеупорных материалов используется прежде всего для защиты строительных сооружений.
О пропитке цементобетона растворимым стеклом (силикатизация) для уплотнения поверхности см. ранее. В России растворимое стекло используется также для импрегнирования пористого бетона, при этом повышение прочности достигается при снижении водопоглощения.
Состав и твердение

Плавлением смеси из кварцевого песка и карбонатов натрия или калия при 1200—1400°С получают стекловидный расплав, который после охлаждения и затвердевания (силикат-глыба) растворяется в воде под давлением в растворном барабане. Растворимое стекло поступает в торговлю в виде густого вязкого раствора. За границей путем сушки распылением растворимого стекла получают также порошкообразные силикаты щелочей, которые при обработке водой легко растворяются. В соответствии с исходными материалами получается натриевое или калиевое растворимое стекло. В строительстве используют растворимое стекло (табл. 5.13) с высоким содержанием силикатов, которое оказывается решающим для вяжущих свойств. При выборе калиевого или натриевого стекла руководствуются наряду с необходимой прочностью прежде всего видом кислых агрессивных сред.
Растворы и бетоны на растворимом стекле

В сильно щелочном растворе растворимого стекла существует равновесие между различными вы-сококонденсированными кремнекислыми группами — радикалами, например ионами метакремневой кислоты = SiO3в2- и дикремневой кислоты = Si2O5в2-, и ионами щелочей. Образующаяся кремнекис-лота в определенной области pH остается в состоянии золя. Для сохранения этого коллоидного раствора в качестве стабилизаторов добавляются защитные коллоиды. Если вследствие выделения кремнекислоты из золя образуется гель, то начинается затвердевание растворимого стекла, которое вызывается прежде всего снижением pH (высокая концентрация ионов). Твердение растворимого стекла вызывают или ускоряют все те соединения, которые при взаимодействии образуют труднорастворимые кремневые кислоты или силикаты:
- углекислоту воздуха (медленное твердение);
- добавки кислот (служат прежде всего для дополнительной обработки);
- фторсиликаты натрия или калия, конденсированные алюмофосфаты и этилацетат образуются в результате гидролиза кислоты и являются технически используемыми ускорителями твердения (органические отвердители усиливают усадку раствора на растворимом стекле);
- соединения металлов, которые с силикатами щелочей образуют труднорастворимые силикаты (гидроксид (кальция строительной извести или цемента образует силикаты кальция);
- заполнители, которые при высоких температурах образуют с растворимым стеклом термически устойчивые соединения.
В результате образования геля дисперсная фаза теряет в дальнейшем свою свободную подвижность, конденсация поликремне-кислот прогрессирует с образованием в конечной стадии водосодержащего диоксида кремния.
Чаще всего в качестве ускорителей твердения используются гидролизующиеся фторсиликаты щелочей:
Растворы и бетоны на растворимом стекле

Равновесие растворимого стекла:
Растворы и бетоны на растворимом стекле

Натриевая щелочь взаимодействует с фтористым водородом по NaOH + HF ⇔ NaF + H2O и обусловливает равновесие в пользу кремнекислоты. Относительно высокое, не участвующее в химическом взаимодействии количество воды растворимого стекла приводит к высокой пористости затвердевшего раствора на растворимом стекле.
Позитивно на твердении сказываются температуры от 15 до 25°С. Выше 25°С процесс схватывания протекает так быстро, что тщательное уплотнение оказывается едва возможно. Ниже 15°С твердение замедляется, а ниже 10°С становится слишком недостаточным.
Заполнители

Выбор заполнителей обусловливается использованием растворов и бетона на растворимом стекле. Для обычных огнеупорных строительных элементов применяется жаропрочный шамот. Перлит и керамзит — для огнестойких легких бетонов. Заполнители для кислотостойких растворов и бетонов на растворимом стекле должны обладать растворимостью в кислотах максимум 1% по массе, а это, в свою очередь, зависит от минералогического состава и структуры заполнителей. Особенно подходят для этих целей плотные породы, такие, как кварц, базальт и порфир. При выборе зернового состава следует учитывать, что по сравнению с цементобетоном повышение доли тончайших фракций в данном случае сказывается позитивно. Поэтому заполнители должны содержать около 30% по массе тончайших составляющих <0,25 мм.
Получение и использование

При приготовлении растворов и бетонов на растворимом стекле растворимого стекла добавляют столько, сколько необходимо для достижения удобоукладываемости (как правило, 12% по массе), так как увеличение доли стекла вызывает ухудшение свойств растворов и бетонов. Растворимое стекло нельзя разбавлять водой, поскольку это влечет за собой увеличение пористости затвердевшего бетона. По этой же причине не должны использоваться влажные заполнители.
Порошкообразный отвердитель, как правило, фторсиликат натрия, следует равномерно вводить в бетон при перемешивании. Замазка на растворимом стекле, применяемая для кладки и крепления керамических изделий, часто содержит отвердитель уже в заполнителе. Использоваться бетона на растворимом стекле может как в виде монолитного бетона, так и в виде предварительно изготовленных, например, прессованных плит, изделий. Свойства некоторых малоформатных изделий из бетона на калиевом растворимом стекле приведены в табл. 5.14.
Растворы и бетоны на растворимом стекле

Перемешивание этих растворов и бетонов вручную более трудоемко, чем цементных растворов и бетонов, Хорошо подходят большие смесители принудительного действия, в которых из-за очень быстрого твердения изготавливается лишь по мере надобности очень немного раствора или бетона. В качестве опалубки служат смазанные маслом дерево или листовая сталь.
Уплотнение производится трамбованием или вибрированием. При трамбовании необходимы по сравнению с цементобетоном дополнительные трудозатраты. Трамбуемый бетон должен поэтому уплотняться послойно на толщину 10 см. Загрузка последующего слоя производится только тогда, когда предыдущий показывает пластичную, резиновую деформацию. Для уплотнения вибрированием подходят вибростолы или поверхностные вибраторы с частотой колебаний более 300 колебаний в 1 мин и амплитудой 0,4 мм. При применении глубинных вибраторов вынимать вибробулаву из бетона нужно очень медленно из-за жесткой консистенции массы. Обычно время вибрирования составляет от 60 до 90 с. При отделении во время уплотнения вяжущего количество растворимого стекла в смеси должно быть уменьшено.
При уплотнении прессованием следует помнить, что бетон на калиевом растворимом стекле благодаря хорошим пластическим свойствам прессуется лучше, чем бетон на натриевом стекле. Давление прессования при изготовлении плит толщиной 6,5 см должно составлять не менее 60 МПа, при увеличении толщины плит оно должно соответственно повышаться.
Если при монолитном бетонировании встречаются рабочие швы, то должно гарантироваться сцепление бетона после обработки металлической щеткой при тонком нанесении шпаклевочной массы. При изготовлении рабочих слоев должны предусматриваться компенсационные швы на расстоянии около 1 м. Дополнительная обработка растворов и бетонов на растворимом стекле соляной кислотой или раствором хлорида кальция повышает их химическую стойкость.
Свойства

Различные технологии получения растворов и бетонов на растворимом стекле обусловливают у них иные потребительные свойства по сравнению со свойствами цементобетона.
► Пористость
Гелеобразная кремнекислота после затвердевания и высыхания имеет более незначительный объем, чем раствор растворимого стекла. Поэтому бетон наряду с порами, обусловливаемыми неплотностями между зернами заполнителя, имеет также в значительной степени капиллярную пористость. Обычные бетоны на калиевом и натриевом растворимом стекле, хорошо уплотненные в лабораторных условиях, имели пористость от 16 до 21% по объему при пористости свежего бетона около 2%. С увеличением содержания растворимого стекла пористость сильно повышается. Поэтому пористость твердого бетона, недостаточно уплотненного в свежем состоянии, но содержащего незначительное количество растворимого стекла, часто оказывается меньше, чем пористость более уплотненного бетона, но с высоким содержанием вяжущего. Пористость огнеупорных растворов и бетонов на растворимом стекле при определенных температурах проходит через максимум, чтобы при высоких температурах стать снова прежней.
► Прочность
Прочность растворов и бетонов на растворимом стекле зависит от сорта и количества растворимого стекла, включая отвердитель; зернового состава заполнителей; уплотнения; времени и температуры твердения.
При использовании натриевого растворимого стекла можно достигать примерно удвоенной прочности при сжатии (около 35 МПа)
по сравнению с калиевым стеклом (около 15 МПа) при прочности на растяжение при изгибе около 5 или соответственно 3 МПа. Высокая плотность натриевого растворимого стекла обусловливает более высокое содержание связываемой кремнекислоты, но уменьшает склонность массы к уплотнению. Количество добавляемого фтор-силиката натрия зависит от цели применения бетона. Для огнеупорного бетона рекомендуется 10—12% по массе, для кислотостойкого на натриевом растворимом стекле — 25—30%, на калиевом — 20—23%.
При использовании натриевого стекла прочность при сжатии при 20°С по истечении 3 дн. достигает около 40%, а по истечении 7 дн. примерно 60% 28-дневной прочности. Через восемь недель повышение прочности практически прекращается. Бетоны с использованием калиевого растворимого стекла уже через день достигают примерно 90% конечной прочности. Однако вследствие гигроскопичности карбоната калия они склонны к образованию мокрых пятен. Жаростойкие растворы и бетоны на основе растворимого стекла обладают примерно одинаковой прочностью при сжатии в широком интервале температур.
► Изменение формы
Растворы и бетоны на натриевом растворимом стекле имеют модуль эластичности при сжатии того же порядка, что и цементобетон равной прочности при сжатии. Модуль эластичности при сжатии для растворов и бетонов на калиевом стекле имел величину от 12000 до 17000 МПа, а относительное сжатие в момент разрушения составляло 1,5—3%.
Усадка этих растворов и бетонов вследствие высыхания отделения воды кремнегеля по мере старения геля в значительной степени зависит от содержания растворимого стекла. Жесткие растворы и бетоны на натриевом стекле имеют усадку примерно 0,4 мм/м, на калиевом — 0,6 мм/ м. Повышение содержания растворимого стекла, например, на 20% по массе увеличивает усадку до 2,2 мм/м. Такие бетоны очень склонны к образованию усадочных трещин. В случае растворов и бетонов на калиевом стекле усадка заканчивается большей частью по истечении 24 ч, при использовании натриевого стекла — через 7 дн. Коэффициент теплового расширения связанных растворимым стеклом масс зависит в первую очередь от заполнителя. В случае кварцсодержащих заполнителей он составляет порядка 12*10в-6 К-1, а для шамотсодержащих 6—8*10в-6 К-1.
► Химическая стойкость
Растворы и бетоны на растворимом стекле устойчивы против действия кислот (кроме плавиковой), а также хлора, брома и аммиака. Против действия основных жидкостей (pH 7) они не устойчивы, так как происходит постепенное растворение кремневой кислоты. Поэтому следует предотвращать непосредственное соприкосновение этих растворов и бетонов со свежим цементобетоном, имеющим щелочную реакцию. В качестве разделительного слоя часто достаточно слоя картона.
► Водостойкость
Кроме плотности устойчивость против воздействия воды зависит от:
- времени твердения: чем дальше к диоксиду кремния продвигается процесс конденсации кремнекисло-ты, тем незначительнее становится растворимость в воде;
- величины добавки отвердителя: при незначительной добавке связываются не все ионы щелочных металлов, при действии воды образуется вследствие гидролиза щелочь, которая действует растворяюще на кремнекислоту (пептизация геля кремнекислоты);
- подкисления: промывка разбавленными кислотами улучшает водостойкость.
► Свойства по отношению к стальной арматуре
Растворы и бетоны на растворимом стекле имеют лучшую адгезию к стали, чем цементобетон. Однако из-за недостаточной плотности использование армированных элементов из этих растворов и бетонов едва ли возможно.
► Истираемость
Истираемость, измеренная с помощью шлифовального круга (см. т. 3), незначительна (около 15 см3/50 см2) и лишь немного больше, чем у кислотоупорного керамического материала.
Применение

Растворимое стекло служит в. качестве вяжущего для силикатных красок, причем твердение обусловливается углекислотой воздуха и возможным взаимодействием с известьсодержащей основой. Добавление растворимого стекла к цементобетону в количестве до 10% по массе приводит к сокращению времени его переработки с возможным негативным действием на уплотнение бетона. Твердение штукатурного гипса добавкой растворимого стекла замедляется. Смеси из растворимого стекла и оксидов тяжелых металлов применяются в качестве замазок для металлов. Главные же области применения растворов и бетонов на растворимом стекле связаны с кислото- и жаропрочными свойствами этих материалов.
► Кислотостойкие растворы и бетоны
Кислотоупорный раствор (замазка на растворимом стекле) представляет собой смесь растворимого стекла и кислотостойкого наполнителя (например, кварцевого песка), к которой добавляется отвердитель. В замазковой муке, отвердитель (фторсиликаты щелочей) добавлен уже к наполнителю (табл. 5.15). При действии серной кислоты лучше подходит калиевое стекло, чем натриевое, поскольку образующиеся безводные кристаллы сульфата калия не оказывают на бетоны расширяющего действия в отличие от кристаллов водного сульфата натрия. В то время как растворы и бетоны на натриевом стекле устойчивы против соляной и азотной кислот любых концентраций, фосфорная и уксусная кислоты обусловливают значительное увеличение объема при кристаллизации соответствующих солей.
Растворы и бетоны на растворимом стекле

► Жаропрочные растворы и бетоны
Жаропрочные растворы и бетоны на растворимом стекле (огнеупорный бетон) изготавливаются, как правило, из натриевого растворимого стекла и шамота. Используются готовые элементы, например в тоннельных печах кирпичной промышленности, вращающихся печах, в также в таких установках, в которых нежелательно падение прочности цементобетона, имеющее место в области температур от 600 до 1000°C.
Термохимические процессы, такие, как частичное расплавление составляющих растворов и бетонов на растворимом стекле и взаимодействие растворимого стекла с составляющими заполнителей (например, шамотом, магнезитом, хроммагнезитом) с образованием соединений с высокой температурой плавления, приводят после обжига при 1000°C к повышению прочности при сжатии в холодном состоянии примерно в 1,5 раза.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: